El uso de hielo para fabricar fibras ópticas figura como uno de los principales avances científicos de mi país en 2021.
La fibra óptica es la tubería que transmite señales ópticas, por ser muy delgada se le llama fibra óptica.
Las fibras ópticas suelen tener alrededor de un milímetro de diámetro y se pueden agrupar en un solo cable de fibra óptica que transmite una gran cantidad de señales.
El uso de la luz para transmitir señales tiene varias ventajas, una es que la tasa de precisión es muy alta y la otra es que la capacidad de comunicación es grande y la confidencialidad es fuerte.
Sin embargo, la luz se pierde fácilmente en el aire y no gira, por lo que solo puede propagarse en la fibra.
La propagación de la luz en la fibra está limitada por muchas condiciones, una es el índice de refracción de la propia fibra y otro indicador importante es el valor NA de la fibra.
▍¿Cuál es el valor NA de la fibra?
Piense en la luz como un proyectil, que se transmite en una fibra óptica, lo que equivale a lanzar una bola de vidrio en un tubo curvo, con un extremo entrando y el otro saliendo.
El funcionamiento del proyectil en un tubo cerrado y curvo depende enteramente del diámetro del tubo y del material del tubo.
Si la tubería es más gruesa, entrarán más proyectiles, lo que equivale a que entre una mayor cantidad de potencia óptica, pero rebotará más veces dentro y perderá más.
Cuanto más delgada es la tubería que transporta el proyectil, más suave viaja el proyectil.
El proceso de propagación de los fotones en la fibra es exactamente el mismo que el proceso de propagación del proyectil en la tubería, y también avanza de forma tortuosa a través de la reflexión continua.
Entonces, cuanto más delgada es la fibra, menor es la pérdida de luz que se propaga en ella.
El ángulo α entre la luz incidente y el eje de la fibra, y el material de la fibra determinan las características de propagación de la luz en la fibra.
El valor de NA es el índice de refracción n del material de fibra, multiplicado por el valor del seno del ángulo α incluido, la fórmula: NA=n×sin(α). Este valor, también conocido como apertura numérica, es el parámetro más importante que caracteriza a la fibra.
Cuanto menor sea el ángulo incluido α, menor será el ángulo de reflexión cuando se propaga, menos veces se refleja en la fibra y más corto es el camino total que toma.
Así que cuanto más delgada es la fibra, menor es la atenuación de la luz que se propaga en ella.
Para reducir la pérdida de propagación de las señales ópticas, se deben utilizar fibras ópticas especiales, que se denominan fibras ultrafinas.
▍El vidrio no puede producir fibras ópticas demasiado delgadas, así que reemplácelo con hielo.
El material de la fibra óptica es vidrio de cuarzo o vidrio.Primero, la varilla de materia prima se calienta en un horno de alta temperatura para ablandar la varilla de materia prima, y luego se usa una máquina especial para dibujarla en un filamento para hacer una óptica fibra.
Sin embargo, el vidrio también es viscoso cuando se calienta y se funde, lo que afectará el diámetro de la fibra óptica formada, por lo que las fibras ópticas muy delgadas no pueden fabricarse con vidrio.
Para fabricar fibras ópticas ultrafinas que rompan los límites físicos de las fibras ópticas de vidrio, la única forma es cambiar el material.
Sabemos que el agua es transparente cuando se congela, y la viscosidad del agua pura es muy pequeña. En teoría, el hielo se puede usar para fabricar fibras ópticas.
Pero hacer fibra óptica con hielo es más difícil. El hielo es un cristal, solo se derretirá en agua sin ablandarse, por lo que no se puede convertir en filamentos de hielo de la misma manera que se calienta el vidrio. Más allá de eso, el hielo es quebradizo, no muy elástico y se dobla y enrolla mucho menos que la fibra de vidrio.
Por lo tanto, el uso de hielo para hacer fibras ópticas se puede transformar en tal propuesta: cómo congelar una paleta con una sección transversal circular perfecta a escala nanométrica a baja temperatura con agua y, al mismo tiempo, tener cierta elasticidad.
▍¿Cómo hacer fibra óptica con hielo?
El equipo del profesor Tong Limin de la Escuela de Ciencias e Ingeniería Optoelectrónica de la Universidad de Zhejiang, junto con investigadores del Centro Interdisciplinario de Mecánica de la Universidad de Zhejiang y la Universidad de California, Berkeley, ha fabricado una micro-nanofibra monocristalina de hielo de alta calidad. a -50°C.
El tipo de paleta que comes se hace vertiendo agua en el molde. Pero si la paleta se encogiera a nanoescala, no se podría hacer con un molde, porque sería difícil desmoldar.
Los científicos utilizaron un campo eléctrico para inducir la dirección de cristalización del hielo, lo que resultó en una paleta extremadamente delgada.
Además, la paleta no es fácil de doblar, pero la fibra debe doblarse. A través de repetidos experimentos, los científicos finalmente aumentaron la deformabilidad de la paleta de menos del 1% al 10%.
Esta deformación no es nada para una fibra de vidrio, pero es bastante notable para el hielo.
▍¿Para qué sirve la fibra de hielo?
La fibra óptica hecha de hielo tiene propiedades de dispersión y absorción de luz extremadamente bajas, y la pérdida de señal óptica transmitida es muy baja, alcanzando 0.2DB por centímetro.
La fibra de hielo se puede hacer muy delgada. La fibra de hielo más delgada fabricada por científicos de la Universidad de Zhejiang tiene solo 800 nanómetros de diámetro, que es solo 8 veces el diámetro del virus SARS-cov-2 y 100 veces más pequeño que el diámetro de la fibra de vidrio. .
Sabemos que la longitud de onda de la luz visible es de 400 nanómetros a 760 nanómetros, y la longitud de onda típica de la luz en una fibra óptica es de 800 nanómetros a 1600 nanómetros.
Si el diámetro de la fibra es igual a la longitud de onda de la luz, se exhiben los efectos mecánicos cuánticos de la luz.
En ese momento, se forma alrededor de la fibra un campo evanescente con un diámetro de varios cientos de nanómetros.
Sabemos que la luz es una partícula elemental según la mecánica cuántica, que obedece al principio de incertidumbre de la mecánica cuántica y no puede calcular la posición y la velocidad de la luz al mismo tiempo.
Conocemos la velocidad de la luz, así que si el diámetro de la fibra es igual a la longitud de onda de la luz, la posición de la fibra es la posición del fotón. Entonces, ¿no es posible calcular la posición y la velocidad del fotón al mismo tiempo?
Esto obviamente contradice la conclusión de la mecánica cuántica.
Entonces, en este momento, los fotones se propagan en forma de un campo de luz disperso alrededor de la fibra, que es el campo evanescente de fotones.
Los campos evanescentes son muy sensibles a las perturbaciones circundantes y pueden usarse para detectar cosas que normalmente no se detectarían.
