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(cè)試條件，將有可能在冰微納光纖實(shí)現(xiàn)超低損耗光傳輸。

童利民 浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院教授

一段冰柱可否呈現(xiàn)出堪比撐竿的彎曲程度?乍聽之下不可能。在人們的常識(shí)中，冰是一種脆性的易碎物質(zhì)，沒有彈性、無法彎折。然而在微觀尺度下，科學(xué)家打破了這一固有認(rèn)識(shí)。

近日，浙江大學(xué)(以下簡(jiǎn)稱浙大)光電科學(xué)與工程學(xué)院童利民教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合浙大交叉力學(xué)中心和美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的科研人員，在-50℃環(huán)境中，制備出了高質(zhì)量冰單晶微納光纖。其既能夠靈活彎曲，又可以低損耗傳輸光，在性能上與玻璃光纖相似。7月9日，相關(guān)研究成果發(fā)表于《科學(xué)》雜志。

類比玻璃特性，低溫下制備冰單晶

光纖作為一種將光約束和自由傳輸?shù)墓δ芙Y(jié)構(gòu)，是目前光場(chǎng)操控最有效的工具之一。

常規(guī)玻璃光纖的主要成分氧化硅(石英砂)，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。實(shí)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，童利民團(tuán)隊(duì)嘗試用冰來制備光纖，歷時(shí)4年得以實(shí)現(xiàn)。

“基于近代光學(xué)、電學(xué)和力學(xué)等領(lǐng)域的快速發(fā)展，科學(xué)家得以對(duì)冰的高壓相、二維結(jié)構(gòu)等新形態(tài)以及電子束光刻等應(yīng)用開展探索，從而提升對(duì)冰的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用能力。”童利民告訴科技日?qǐng)?bào)記者，已有科學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)到的冰的最大彈性應(yīng)變?yōu)?.3%左右，大于這個(gè)值就會(huì)碎裂。

論文第一作者、浙大光電學(xué)院博士生許培臻補(bǔ)充道，通俗地解釋的話，即一瓶水結(jié)冰后，讓瓶子形變程度達(dá)到0.3%，這塊冰就會(huì)碎。這也可解釋雪崩、冰川滑移和海冰碎裂等自然現(xiàn)象的產(chǎn)生。

“微納光纖的光場(chǎng)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(chǎng)響應(yīng)特性。在這項(xiàng)研究中，冰單晶制備是關(guān)鍵的第一步，要使冰晶的分子排列整齊。”童利民介紹，類似整面玻璃易碎、但細(xì)長(zhǎng)的玻璃光纖具有彈性的現(xiàn)象，減小結(jié)構(gòu)尺寸、提高結(jié)構(gòu)均勻度，可以顯著提高材料力學(xué)性能。

本次研究中，團(tuán)隊(duì)自行搭建了生長(zhǎng)裝置，在大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，改進(jìn)了已有的電場(chǎng)誘導(dǎo)冰晶制備方法，即在低溫高壓電場(chǎng)中，加之一定的濕度條件，通過靜電促使水分子朝電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)，改變其無序的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而誘發(fā)單晶生長(zhǎng)。

“最終在-50℃的環(huán)境，團(tuán)隊(duì)成功制備出直徑在800納米到10微米的冰單晶微納光纖。”童利民表示，團(tuán)隊(duì)在冷凍電鏡下驗(yàn)證了這些冰單晶微納光纖具有很好的直徑均勻性和表面光滑度。

挑戰(zhàn)彈性極限，冰光纖具有潛在優(yōu)勢(shì)

“單是結(jié)構(gòu)均勻、表面光滑還不夠，若要盡可能適應(yīng)場(chǎng)景需求，需要對(duì)冰微納光纖的彈性應(yīng)變性能進(jìn)行充分探索。”童利民介紹，雖然學(xué)界曾有理論計(jì)算預(yù)測(cè)過，理想情況下，冰的彈性應(yīng)變極限有可能大于10%，但是真實(shí)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。

為探索其力學(xué)性能，團(tuán)隊(duì)利用新發(fā)明的低溫微納操控和轉(zhuǎn)移技術(shù)，在多個(gè)環(huán)境下做了測(cè)試。最終在-150℃的環(huán)境中，團(tuán)隊(duì)制備的冰微納光纖獲得了10.9%的彈性應(yīng)變，接近冰的理論彈性極限。

據(jù)介紹，將標(biāo)準(zhǔn)光纖直徑減小到波長(zhǎng)甚至亞波長(zhǎng)量級(jí)，成為微納光纖，提升或引入光場(chǎng)在空間約束、近場(chǎng)相互作用、表面增強(qiáng)、波導(dǎo)色散及光動(dòng)量效應(yīng)等方面的調(diào)控能力，在近場(chǎng)耦合、光學(xué)傳感和量子光學(xué)等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，是目前光纖領(lǐng)域的前沿研究方向之一。

“由于材料對(duì)光場(chǎng)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(duì)預(yù)測(cè)，由H2O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(shì)。”童利民說。

為了測(cè)試其光學(xué)特性，團(tuán)隊(duì)利用其此前發(fā)明的近場(chǎng)耦合輸入技術(shù)，在可見光波段實(shí)現(xiàn)了冰微納光纖的寬帶光傳輸，傳輸損耗低達(dá)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(cè)試條件，將有可能在冰微納光纖實(shí)現(xiàn)超低損耗光傳輸。”童利民認(rèn)為，該項(xiàng)研究結(jié)果將拓展人們對(duì)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，以及發(fā)展適用于特殊環(huán)境的微納尺度冰基技術(shù)。

關(guān)鍵詞： 高效導(dǎo)光 冰光纖 冰單晶 易碎物質(zhì)