“彎”冰制光纖從冰到光纖的奇思妙想

生長成單晶微納光纖的冰，居然在性能上與玻璃光纖相似，既能夠靈活彎曲，又可以低損耗傳輸光。

浙江大學(xué)光電學(xué)院教授童利民團(tuán)隊在長期研究中發(fā)現(xiàn)了這種奇妙的現(xiàn)象。他們聯(lián)合學(xué)校交叉力學(xué)中心和美國加州大學(xué)伯克利分校的合作者，實現(xiàn)用冰制備光纖。相關(guān)成果近日發(fā)表于《科學(xué)》。

從冰到光纖的奇思妙想

在人們的常識中，冰是一種透明、易碎的脆性物質(zhì)，沒有彈性，無法彎折。

已有的實驗數(shù)據(jù)也表明，冰的最大彈性應(yīng)變?yōu)?.3%左右，大于這個值就會碎裂。雖然理論計算曾預(yù)測，理想情況下，冰的彈性應(yīng)變極限有可能大于10%，但是真實的冰晶中由于存在結(jié)構(gòu)缺陷，能夠達(dá)到的應(yīng)變值遠(yuǎn)低于理論極限。

而光纖作為一種將光約束并自由傳輸?shù)墓δ芙Y(jié)構(gòu)，是目前光場操控最有效的工具之一。將標(biāo)準(zhǔn)光纖直徑減小到波長甚至亞波長量級，成為微納光纖，其在近場耦合、光學(xué)傳感和量子光學(xué)等方面具有獨特優(yōu)勢，是目前光纖領(lǐng)域的前沿研究方向之一。

微納光纖的光場調(diào)控能力，很大程度上取決于光纖材料的結(jié)構(gòu)形態(tài)及其光場響應(yīng)特性。常規(guī)的玻璃光纖，主要成分為氧化硅，是地殼中含量最豐富的材料之一，在光傳輸中具有寬帶低損耗等優(yōu)異特性，被“光纖之父”高錕稱為“古沙傳捷音”。

實際上，在地球及很多地外星球表面，比沙更普遍的物質(zhì)是冰或液態(tài)水，于是童利民團(tuán)隊想能否用冰來制備光纖?

“這是一個令人好奇的、有趣的問題。大約8年前，我和通訊作者之一、浙大光電學(xué)院副教授郭欣就討論過這個想法，但由于所涉及的實驗條件和技術(shù)要求很高，一時難以開展。”童利民告訴《中國科學(xué)報》。

首次實現(xiàn)冰的靈活彎曲

2017年，在討論二年級博士生許培臻的研究方向時，童利民再次提到了用冰來制備光纖這個想法。論文第一作者之一、當(dāng)時正在準(zhǔn)備本科畢業(yè)設(shè)計的崔博文，也加入了這項研究。

童利民說，他們專注的研究態(tài)度和出色的實驗動手能力，讓實現(xiàn)這個想法成為可能。加之當(dāng)時學(xué)校剛成立了冷凍電鏡中心，為低溫下的結(jié)構(gòu)表征提供了研究條件。

在這項研究中，第一步是結(jié)構(gòu)制備，這是至關(guān)重要的一步。研究團(tuán)隊自行搭建了生長裝置，在大量實驗基礎(chǔ)上，改進(jìn)了已有的電場誘導(dǎo)冰晶制備方法，成功生長了直徑從800納米到10微米的高質(zhì)量冰單晶微納光纖。

在冷凍電鏡下，研究團(tuán)隊驗證了這些沿c軸生長的冰單晶微納光纖具有很好的直徑均勻性和表面光滑度。

“作為光纖，必須能夠自由彎曲，才會更有用。”童利民說。

為了探索冰微納光纖的力學(xué)性能，研究團(tuán)隊發(fā)明了一套低溫微納操控和轉(zhuǎn)移技術(shù)，實現(xiàn)了液氮環(huán)境下微納結(jié)構(gòu)的靈活、精確操控，在零下150℃的冰微納光纖中，獲得了10.9%的彈性應(yīng)變，接近冰的理論彈性極限(遠(yuǎn)高于此前報道的最高0.3%的應(yīng)變實驗值)，實現(xiàn)了冰微納光纖的靈活彎曲。

未來應(yīng)用潛力大

研究者們一直對冰的分子結(jié)構(gòu)隨壓強改變而發(fā)生相變很感興趣。

但是，由于產(chǎn)生相變所需的壓強通常在數(shù)千個大氣壓以上，需要使用特殊設(shè)計的金剛石壓砧等設(shè)備來獲得，不易實現(xiàn)。

研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，通過大應(yīng)變彎曲冰微納光纖，有可能成為解決相變所需高壓的簡單方案。“拉曼光譜是檢測相變最靈敏的方法之一，我們現(xiàn)代光學(xué)儀器國家重點實驗室在光譜測量技術(shù)方面有很好的基礎(chǔ)。”郭欣說。

為此，研究團(tuán)隊研制了一套結(jié)合低溫微納操控的原位顯微拉曼光譜測量系統(tǒng)，通過彈性彎曲冰微納光纖并原位實時測量最大應(yīng)變區(qū)域的拉曼光譜，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變超過3%時就可以出現(xiàn)冰從Ih相(常壓相)轉(zhuǎn)變?yōu)镮I相(高壓相之一)的特征拉曼峰。

同時，彈性彎曲還可以為冰施加超過一萬個大氣壓的負(fù)壓，這是目前其他實驗方法難以做到的。因此，上述彈性彎曲技術(shù)為冰的相變動力學(xué)研究提供了一種新的實驗方法。

此外，材料對光場的響應(yīng)特性取決于其組成元素、分子結(jié)構(gòu)及其排列方式。研究團(tuán)隊預(yù)測，由水分子規(guī)則排列而成的冰單晶微納光纖，在光的操控方面具有潛在優(yōu)勢。為了測試其光學(xué)特性，團(tuán)隊利用此前發(fā)明的近場耦合輸入技術(shù)，在可見光波段實現(xiàn)了冰微納光纖的寬帶光傳輸，傳輸損耗低至0.2dB/cm，與目前高質(zhì)量平面波導(dǎo)相當(dāng)。這種光操控能力為微納光纖用于低溫光學(xué)導(dǎo)波與傳感提供了新的技術(shù)可能。

由于理想冰單晶在可見光波段具有極低的吸收和散射特性，進(jìn)一步優(yōu)化制備和測試條件，有可能在冰微納光纖實現(xiàn)超低損耗光傳輸。

童利民相信，該項研究結(jié)果將拓展人們對冰的認(rèn)知邊界，激發(fā)人們開展冰基光纖在光傳輸、光傳感、冰物理學(xué)等方面的研究，發(fā)展適用于特殊環(huán)境的微納尺度冰基技術(shù)。

標(biāo)簽： 冰 光纖 物質(zhì) 合作