实时监测光子晶体纤维制造

首先在20世纪90年代首次探讨了光子晶体纤维（PCF），随着常规光纤揭示了它们的限制，对PCF的兴趣仅进一步增加。PCFS使用特定的气孔图案，该气孔延伸光纤的长度以引导光线。这些微妙的微观结构在功能上必不可少，但目前无法实时监测其生产。Michael H.Froisz博士和他的德国Max Planck科学研究所的团队发现了一种新型方法，可以实时监测纳米级分辨率的微观结构。

首先在1996年探索，光子晶体纤维（PCF）是具有精心设计的微观结构的玻璃或塑料纤维，使它们充当波导，这意味着它们可以携带光束。

pcf是光纤电缆的陌生表亲，由于其在光通信、激光和传感器方面的潜在应用，在光学研究领域引起了人们的兴趣。

光子晶纤维
通常，光纤电缆利用全内反射，这是由于光线行进的“核心”和“包层”之间的折射率之间的折射率差异的效果。当光线符合核心和包层之间的边界时，如果角度陡峭，它沿电缆反射。

相比之下，PCFs是围绕着中心核心的含有多个毛细血管的纤维。这些毛细血管或孔通常只含有空气。这些孔洞的图案很重要，不同的图案可以改变纤维的性能。这意味着pcf的性能可以通过调整来达到传统光纤无法达到的性能。

在传统光纤上，PCFS优点的直观示例是它们可以用中空芯构造。这允许通常由纤维材料吸收的光频率波动。PCF已经在脉冲压缩中发现了应用，其中创建了激光的子皮秒脉冲;对于波长转换，其中一个波长被转换为另一个波长。

为了测试系统，Frosz使用WGM光谱分析毛细管直径的近一公里的PCF。

堆叠和画画
这些精细的微结构以与传统光纤的方式类似的方式构造，从具有所需结构但以更大的形式开始。预成型件通常由二氧化硅制成，并且可以通过钻出所需的孔图案来产生，但是通过堆叠管以所需的取向来产生更常见的制造。通过加热预制件的末端，直到它软化然后拉动它，将结构拉出到具有人头发尺寸的较薄的电缆中。

如果这些微妙的微观结构很难构建，那么监测和质量控制它们的生产甚至更难。常规光纤可以在生产过程中实时测量 - 这可能发生在数百米/分钟内 - 这对于PCF而言，这不是真的：温度或空气压力的小变化可能对微观结构具有毁灭性的影响，同时几乎没有影响在整体纤维直径。

考虑到电缆长度可达数公里，实现低信号质量损失需要高度精确的微结构维护。

监测微观结构
一旦绘制了纤维，测量PCF的微观结构的标准做法是将纤维切成部分。这意味着可以检查光纤的微观结构，但也会导致纤维的破坏。显然，需要更少的侵入性方法。

存在多种方法可以检测微结构中的畸形。使用称为多普勒辅助断层扫描的技术扫描结构从侧面开启，可用于确认光纤中的气孔位置。然而，该技术要求电缆在大约10秒旋转。虽然此过程可以在不损坏的情况下表征光纤，但它很慢 - 每次扫描需要几分钟 - 并且无法在绘图过程中执行。

实时监测技术突破
最近由Michael Frosz领导的Max Planck科学研究所由Michael Frosz领导，纤维制造单元负责人，演示了如何使用称为低语廊模式光谱（WGM光谱）的过程实时监测PCF拉图．该研究由Philip St. J. Russell，发明了PCF，然后领导了首先发现如何制造纤维的研究组。

pcf的制造方式意味着每根空气毛细管周围的玻璃都融合到外层的玻璃套上。弗罗茨和他在马克斯·普朗克研究所的团队发现，通过将一束平行光波从纤维的侧面照射到毛细血管上是可能的，就像激光产生的那样。当光束以特定的点和特定的角度进入纤维的一侧时，光束就会绕着毛细血管的整个圆周运动，并在它进入的同一点离开。特定波长的光(取决于毛细血管的直径)在毛细血管周围更有效地传播。因此，通过测量出毛细管的光的光谱，就有可能推断出毛细管的直径。

A helpful analogy for this process is also the source of its name – the Whispering Gallery – a dome in St. Paul’s Cathedral where sound waves bounce all the way around the inside surface of the dome, in an effect so strong that a whisper is audible on the other edge of the dome.

耳语画廊模式光谱
使用商业软件来模拟技术，Frosz能够确定光谱数据与毛细管的平均直径之间的数学关系。

Frosz和他的团队成立了一个氙灯，可以从400到1000nm波长发光。Frosz将光线指向绘制PCF的绘图塔。光由具有准直透镜的光纤引导，以确保光主要击中PCF。

第二根纤维用于收集照明光束60°的入射光，并将光传送到分光计。该团队构建了一个简单的分析过程，可以自动获取输入的光谱数据，并确定以微米为单位测量的毛细管直径。

为了测试系统，Frosz使用WGM光谱分析毛细管直径的近一公里的PCF。在绘图期间的点，增加了气压 - 施加在毛细血管内以控制其尺寸。

成功WGM-spectroscopy
Frosz的数据量化了随着压力的增加而增加的毛细血管的直径如何增加。纤维绘图完成后，团队在多个部分切片电缆，并使用常规技术（电子显微镜）以确定每个点处的实际毛细管直径。绘制相同图表的数据显示了非侵入性方法和真正的毛细管直径之间的良好相关性，确认Frosz的新型WGM光谱技术的功效。

它不仅允许与PCF的微观结构进行非侵入性分析，它可以连续进行，并且基于相对便宜的设备。

在拉速速度下进行这些测量值约为每分钟约32米，这意味着可以在实际纤维图中使用该技术。它也高度精确，分辨率约为90nm，并且测量从传统方法偏离0.4μm - 仅3％的值。

适应真实的制造挑战
然而，该方法仅测量光纤中的一个毛细管。为了测量多毛细管，可以等到电缆被绘制后，并将光纤慢慢旋转360°。团队建议使用多个光缆更简单，并在核心周围照亮每个毛细管。

将该工艺应用于商业化PCF生产的最后一个挑战是，空心PCF的设计可能会有所不同。使用建模软件进行的研究表明，同样的技术，只要对光谱数据的解释稍加修改，也能够处理更复杂的结构，如嵌套的毛细血管或分裂成两半。

实时监控的好处
光纤是一种快速扩展的工业，具有高价值应用，但常规纤维的局限性意味着光子晶体纤维是令人兴奋的新兴领域。虽然存在的制造技术，可以用复杂的微观结构抽出纤维，它们是微妙的，许多东西在其生产中可能出错。到目前为止，监控此过程在不使用破坏性技术的情况下是不可能的。

窃窃私语画廊模式光谱学令人兴奋，因为它不仅允许pcf对微结构进行非侵入性分析，而且可以连续分析，而且是基于相对便宜的设备。因此，wgm光谱学可以被纳入一个反馈系统，控制拉伸速度和施加的气压，这对于长距离电信应用中需要特别低损耗的纤维的拉伸是至关重要的。