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。
浙江大學光電學院教授童利民團隊在長期研究中發(fā)現(xiàn)了這種奇妙的現(xiàn)象。他們聯(lián)合學校交叉力學中心和美國加州大學伯克利分校的合作者，實現(xiàn)用冰制備光纖。相關成果近日發(fā)表于《科學》。
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，沒有彈性，無法彎折。
已有的實驗數(shù)據(jù)也表明，冰的最大彈性應變?yōu)?.3%左右，大于這個值就會碎裂。雖然理論計算曾預測，理想情況下，冰的彈性應變極限有可能大于10%，但是真實的冰晶中由于存在結構缺陷，能夠達到的應變值遠低于理論極限。
而光纖作為一種將光約束并自由傳輸?shù)墓δ芙Y構，是目前光場操控最有效的工具之一。將標準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、光學傳感和量子光學等方面具有獨特優(yōu)勢，是目前光纖領域的前沿研究方向之一。
微納光纖的光場調控能力，很大程度上取決于光纖材料的結構形態(tài)及其光場響應特性。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，比沙更普遍的物質是冰或液態(tài)水，于是童利民團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要求很高，一時難以開展。”童利民告訴《中國科學報》。
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、當時正在準備本科畢業(yè)設計的崔博文，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。加之當時學校剛成立了冷凍電鏡中心，為低溫下的結構表征提供了研究條件。
在這項研究中，第一步是結構制備，這是至關重要的一步。研究團隊自行搭建了生長裝置，在大量實驗基礎上，改進了已有的電場誘導冰晶制備方法，成功生長了直徑從800納米到10微米的高質量冰單晶微納光纖。
在冷凍電鏡下，研究團隊驗證了這些沿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性能，研究團隊發(fā)明了一套低溫微納操控和轉移技術，實現(xiàn)了液氮環(huán)境下微納結構的靈活、精確操控，在零下150℃的冰微納光纖中，獲得了10.9%的彈性應變，接近冰的理論彈性極限(遠高于此前報道的最高0.3%的應變實驗值)，實現(xiàn)了冰微納光纖的靈活彎曲。
未來應用潛力大
研究者們一直對冰的分子結構隨壓強改變而發(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，需要使用特殊設計的金剛石壓砧等設備來獲得，不易實現(xiàn)。
研究團隊發(fā)現(xiàn)，通過大應變彎曲冰微納光纖，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)代光學儀器國家重點實驗室在光譜測量技術方面有很好的基礎。”郭欣說。
為此，研究團隊研制了一套結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變區(qū)域的拉曼光譜，發(fā)現(xiàn)應變超過3%時就可以出現(xiàn)冰從Ih相(常壓相)轉變?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，上述彈性彎曲技術為冰的相變動力學研究提供了一種新的實驗方法。
此外，材料對光場的響應特性取決于其組成元素、分子結構及其排列方式。研究團隊預測，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。為了測試其光學特性，團隊利用此前發(fā)明的近場耦合輸入技術，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，與目前高質量平面波導相當。這種光操控能力為微納光纖用于低溫光學導波與傳感提供了新的技術可能。
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，該項研究結果將拓展人們對冰的認知邊界，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。
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