CN101942700B

CN101942700B - 基于光纤的圆柱环状胶体晶体的制备方法

Info

Publication number: CN101942700B
Application number: CN2010105121061A
Authority: CN
Inventors: 王鸣; 郭文华; 夏巍; 崔恩营; 倪海斌
Original assignee: Nanjing Normal University
Current assignee: Nanjing Normal University
Priority date: 2010-10-20
Filing date: 2010-10-20
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2030-10-20
Also published as: CN101942700A

Abstract

本发明公开了一种基于光纤的圆柱环状胶体晶体的制备方法及其晶体。主要工艺步骤为：剥除光纤涂覆层,去油去污后清洗干燥，插入HF酸缓冲溶液中，包层被HF酸腐蚀粗化，增强亲水性利于微球涂覆；配置不同材料(如PS,PMMA和Silica)不同浓度的胶体微球溶液；将腐蚀粗化后的光纤竖直插入盛有胶体溶液的玻璃瓶中,在一定的温度和压强的条件下，采用垂直沉积法在光纤包层外表面涂覆胶体晶体；用烧结炉烧结固化圆柱环状胶体晶体。本发明形成的圆柱环状胶体晶体可以作为三维光子晶体滤波器，并可以形成空气芯和多孔结构，进一步发展成为光纤和生物、环境传感器，而且由于是在普通的单模光纤上制备，因此制作简便、成本低。

Description

基于光纤的圆柱环状胶体晶体的制备方法

技术领域

本发明涉及一种制备圆柱环状胶体晶体的方法，特别是涉及一种采用垂直沉积和控温控压方法相结合，在光纤外表面生长胶体晶体的工艺技术及其制备的圆柱环状胶体晶体。

背景技术

光子晶体自从被提出以来，便得到了广泛的研究和关注。制造光学波段的光子晶体，化学方法就显示出更大的优越性，其中利用胶体颗粒自组装是一种非常简便的方法，胶体晶体是指亚微米级的单分散胶体微球在合适的条件下自组装成三维有序周期结构。其制备过程所需费用较低且容易操作，因此胶体微球的自组装被认为是近红外、光学以及更短波段三维光子晶体的最有效、最有前途的制备方法。胶体光子晶体不具有完全带隙，但它不仅可以用于制作滤光器和光开关、高密度磁性数据存储器件、化学和生物传感器，而且为利用模板技术制备具有完全带隙的有序多孔结构提供理想模板。

胶体晶体的制备方法包括:重力沉降法、物理强制有序法、垂直淀积法、胶体外延法、离心沉降法等。垂直沉积法因其制备的样品质量高，实验参数可控，组装的微球材料及粒径选择范围广，成本低廉且生长周期短而被广泛应用。在形成胶体晶体后，通过烧结控制颗粒间的孔隙率，同时增加样品的机械强度，还可以进一步在其空隙中填充高折射率的材料，腐蚀掉原来胶体微球形成具有完全光子带隙的多孔结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光纤制备胶体晶体的方法，此方法能够使晶体生长达到更好的平衡，从而制备出高质量的晶体。本发明的另外一个目的是利用该方法制作一种方便、廉价、使用价值高，能和现代光纤通信相结合的三维圆环状胶体晶体。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：基于光纤的圆柱环状胶体晶体的制备方法，其制备工艺步骤如下：

（a）光纤预处理：将单模光纤剥除涂覆层，利用丙酮酒精去油去污，放在稀硝酸溶液中浸泡一天一夜；

（b）取出光纤用清水冲洗数次，再用丙酮、去离子水,在超声波清洗器内反复清洗，完毕后在氮气环境下烘干；

（c）配制HF酸缓冲溶液，利用NH₄F可以减缓HF酸的腐蚀速率,使光纤的包层腐蚀得均匀平滑，其溶液的配比为HF：NH₄F:H₂O=3:7:10；

（d）将干燥后的单模裸光纤垂直插入HF酸缓冲溶液中，光纤的包层被HF酸腐蚀，腐蚀时间为5～10分钟，腐蚀结束后重复一遍步骤（b）中的过程；

（e）配置胶体微球溶液，胶体微球的直径范围为200nm-700nm，直径偏差偏差/平均直径×% <0.2%，质量百分比2%~8%；溶剂为水/乙醇，体积比为3:7；

（f）将步骤（d）中处理过的单模光纤竖直插入盛有胶体微球溶液的玻璃瓶中，整个装置固定好后置于真空干燥箱中，控制温度为30-70℃，压强为0.01-1Mpa，采用垂直沉积法在光纤外表面生长胶体晶体，静置48小时；

（g）将步骤（f）中制备好的胶体晶体放入烧结炉加热到相应的温度进行烧结固化，形成基于光纤基底的圆柱环状胶体晶体。

其中，步骤（e）中胶体微球可以采用聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或二氧化硅的微球。

利用上述工艺步骤制备的胶体晶体，包覆在光纤的外表面上，形成三维的圆柱环状胶体晶体。

本发明基于光纤的圆柱环状胶体晶体的制备方法克服了以前制备胶体晶体方法中的缺点：①利用真空干燥箱控制温度和压强两个参数，可以合理调节溶剂的蒸发速度，从而更好的达到晶体生长平衡，制备出高质量的晶体；②通过降低压强降低溶剂的沸点，从而可以组装高温变质的材料甚至生物活性微球，克服了胶体晶体材料的单一性，同时提高了生长速率；③通过合理设定参数，改进垂直沉积法在非平面基底（尤其是光纤）组装高质量的三维有序晶体，拓展了垂直沉积法生长机理，也增强了胶体晶体的实际应用范围。本发明制备的圆柱环状胶体晶体，具有较深光子带隙和较大的带隙边缘坡度，且涂覆在光纤表面可以直接进行宽带滤波，进一步可以应用到光纤通信和传感领域，为以后作为新的光子器件奠定了基础。

附图说明

图1是圆柱环状胶体晶体制备实验装置示意图(1:裸光纤, 2:胶体溶液, 3:水, 4:恒温水浴加热, 5:玻璃瓶, 6:光纤夹持器, 7:胶带, 8:支撑架)。

图2是制备环状晶体结晶过程的示意图(9:单模光纤,10:胶体微球,11:溶液半月面,12:微球重力,13:微球聚合力,14:流体剪切力)。

图3是圆柱环状胶体晶体结构的端面示意图 (15:包层，16:纤芯)。

图4是圆柱环状胶体晶体结构的剖面示意图。

图5是实施例2制备的圆柱环状胶体晶体的透射光谱图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

先对光纤预处理：将单模光纤剥除涂覆层，利用丙酮酒精去油去污，放在稀硝酸溶液中浸泡一天一夜；取出光纤用清水冲洗数次，再用丙酮、去离子水,在超声波清洗器内反复清洗，完毕后在氮气环境下烘干；配制HF酸缓冲溶液，利用NH₄F可以减缓HF酸的腐蚀速率,使光纤的包层腐蚀得均匀平滑，其溶液的配比为HF：NH₄F:H₂O=3:7:10；将干燥后的单模裸光纤垂直插入HF酸缓冲溶液中，光纤的包层被HF酸腐蚀，腐蚀时间为5～10分钟，表面腐蚀粗化后不但增强亲水性，更利于胶体微球的涂覆和生长，腐蚀结束后重复一遍第二步的清洗步骤；然后进行如下步骤的操作。

实施例1：

本实施例选用聚苯乙烯（PS）微球配置胶体微球溶液，所用微球的粒径为250nm(直径偏差/平均直径×% <0.2%，理论带隙在590nm)，质量百分比2%，溶剂水/乙醇（体积比3:7），共3ml置于小试管中；然后将处理好的单模光纤竖直插入盛有胶体微球溶液的玻璃瓶中，整个装置固定好置于真空干燥箱中，控制温度在30℃，压强为0.06Mpa，采用垂直沉积法在光纤外表面生长胶体晶体，恒温恒压下静置48h左右；最后将制备好的圆柱环状胶体晶体（PS）放入烧结炉，先在70℃下预烧结一个小时，再在90℃下烧结固化三个小时，形成基于光纤基底的圆柱环状胶体晶体。

实施例2：

本实施例选用聚苯乙烯（PS）微球配置胶体微球溶液，所用微球的粒径为390nm(直径偏差/平均直径×% <0.2%，理论带隙在905nm)，质量百分比2%，溶剂水/乙醇（体积比3:7），共3ml置于小试管中；然后将处理好的单模光纤竖直插入盛有胶体微球溶液的玻璃瓶中，整个装置固定好置于真空干燥箱中，控制温度在50℃，压强为0.03Mpa，采用垂直沉积法在光纤外表面生长胶体晶体，恒温恒压下静置48h左右；最后将制备好的圆柱环状胶体晶体（PS）放入烧结炉，先在70℃下预烧结一个小时，再在90℃下烧结固化三个小时，形成基于光纤基底的圆柱环状胶体晶体。

实施例3：

本实施例选用二氧化硅（Silica）微球配置胶体微球溶液，所用微球的粒径为690nm(直径偏差/平均直径×% <0.2%，理论带隙在1520nm)，质量百分比3%，溶剂水/乙醇（体积比3:7），共3ml置于小试管中；然后将处理好的单模光纤竖直插入盛有胶体微球溶液的玻璃瓶中，整个装置固定好置于真空干燥箱中，控制温度在65℃，压强为0.02Mpa，采用垂直沉积法在光纤外表面生长胶体晶体，恒温恒压下静置48h左右；最后将制备好的圆柱环状胶体晶体（Silica）放入烧结炉，在500℃下进行烧结固化三个小时，再缓慢升温到900℃烧结4个小时然后退火处理，形成基于光纤基底的圆柱环状胶体晶体。

如图3和4所示，利用上述工艺步骤，制备的胶体晶体包覆在光纤的外表面，形成三维的圆柱环状胶体晶体。本发明胶体晶体的粒径可根据带隙中心波长的要求选择。

图5为实施例2制备的圆柱环状胶体晶体的透射光谱图，图中曲线为绕纤芯轴旋转不同角度的透射谱，每转30°记录一次，从图中可以看出，曲线基本重合，因此该胶体晶体具有良好的圆柱对称性。

本发明制备的圆柱环状胶体晶体具有圆柱对称性,有光子带隙效应,且三维胶体晶体可以利用其中心带隙波长进行选频,其频带窄，精度高，而且随所处介质变化，可以形成气体探测和波分复用器件。通过在光纤包层涂覆不同粒径的胶体微球，或者在胶体晶体的空隙部分填充不同折射率的材料二次加工形成多孔反结构，可以改变光子带隙的中心波长，达到任意频段滤波的目的，同时进一步发展可以形成廉价的生物传感器和环境监测器、滤波器等。因此，借助本发明可以实现三维胶体晶体和光纤的结合，出射光为FP腔调制下的光子带隙的特征谱线，可以作为光开关，波导以及滤波器和交叉器等的应用。

Claims

1.基于光纤的圆柱环状胶体晶体的制备方法，其特征在于制备工艺步骤如下：

（b）取出光纤用清水冲洗数次，再用丙酮、去离子水，在超声波清洗器内反复清洗，完毕后在氮气环境下烘干；

（c）配制HF酸缓冲溶液，利用NH₄F可以减缓HF酸的腐蚀速率，使光纤的包层腐蚀得均匀平滑，其溶液的配比为HF：NH₄F:H₂O=3:7:10；

（e）配置胶体微球溶液，胶体微球的直径范围为200nm-700nm，直径偏差/平均直径×% <0.2%，质量百分比2%～8%；溶剂为水/乙醇，体积比为3:7；

（f）将步骤（d）中处理过的单模光纤竖直插入盛有胶体微球溶液的玻璃瓶中，整个装置固定好后置于真空干燥箱中，控制温度为30-70℃，压强为0.06-1Mpa，采用垂直沉积法在光纤外表面生长胶体晶体，静置48小时；

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（e）中的胶体微球采用聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或二氧化硅的微球。