CN103135165A - 一种基于可调控胶体光子晶体的滤波光纤及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可调控胶体光子晶体的滤波光纤，包括光纤、动态光谱调节单元和光纤连接器，所述动态光谱调节单元包括基质、胶体光子晶体和封装套，所述光纤与光纤连接器连接，所述动态光谱调节单元位于光纤连接器内，由封装套封装；以及所述基于可调控胶体光子晶体的滤波光纤的制备方法。通过上述方式，本发明的光纤制备方法工艺简单，体积小、滤波范围可调节、操作简单、可批量大规模生产，适用于微细条件下的光谱检测、调制。

Description

一种基于可调控胶体光子晶体的滤波光纤及其制备方法

技术领域

本发明涉及特种光纤制作研究领域，特别是涉及一种基于可调控胶体光子晶体的滤波光纤及其制备方法。

背景技术

胶体晶体是由一种或多种单分散的胶体颗粒(无机或有机，尺度在微米或亚微米级)组装形成的具有二维或三维有序结构的一类物质。由于胶体粒子的长程有序排列使胶体晶体产生了光子带隙，所以也称胶体晶体为胶体光子晶体。通常，胶体晶体的衍射波峰位置遵循布拉格衍射公式，即mλ＝2ndsinθ，其中m为衍射级数，λ为衍射波长，n为胶体晶体的平均折射率，d为胶体晶体的晶格间距，θ为入射光角度。由此可见，胶体晶体的衍射波长和构成其结构的胶体颗粒的尺寸及折射率相关，选用不同尺寸或材料的胶体颗粒组装成胶体晶体就可得到不同的光子禁带位置。

胶体晶体可被制备成非密堆积的结构。由于溶剂中粒子之间的相互排斥力和静电作用力，光子晶体粒子可在悬浊液中形成非密堆积结构。Asher等人最先报道了用水凝胶固定非密堆积的胶体粒子三维阵列的研究，并利用该方法成功获得了非密堆积的胶体光子晶体薄膜。通过外场调控水凝胶的扩展或者收缩，从而引起胶体粒子间距的改变，导致胶体晶体衍射峰的改变。基于上述原理，提出以可调控胶体光子晶体制备滤波光纤。与现有常规光纤相比，本发明涉及的滤波光纤具有体积小、成本低、滤波范围可调节、操作简单、可批量大规模生产等优势，适用于微细条件下的光谱检测，调制。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种基于可调控胶体光子晶体的滤波光纤，能解决现有技术中光纤及其系统存在的光谱调制复杂，制作工艺繁琐，难以微型化，滤波范围固定等缺点。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于可调控胶体光子晶体的滤波光纤，包括光纤、动态光谱调节单元和光纤连接器，所述动态光谱调节单元包括基质、胶体光子晶体和封装套，所述光纤与光纤连接器连接，所述动态光谱调节单元位于光纤连接器内，由封装套封装。

在本发明一个较佳实施例中，所述光纤为单模光纤或多模光纤。

在本发明一个较佳实施例中，所述胶体光子晶体呈非密堆积的蛋白石结构或反蛋白石结构，厚度为100纳米至2×10⁶纳米。

在本发明一个较佳实施例中，所述的胶体光子晶体选自二氧化硅、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、二氧化钛、氧化铁、四氧化三铁、金、银中的一种或多种。

在本发明一个较佳实施例中，所述胶体光子晶体粒子的粒径为10纳米至500纳米。

在本发明一个较佳实施例中，所述基质为溶液态或水凝胶态。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种制备基于可调控胶体光子晶体的滤波光纤的方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先、胶体光子晶体溶液的配制：

以单分散的胶体光子晶体配制胶体晶体溶液，后续需要制成水凝胶薄膜的胶体晶体溶液还需按一定的体积比与合适的水凝胶混合，并添加适量的光引发剂；

其次、动态光谱调节单元的安装：

将配制待用的胶体光子晶体悬浊液注入光纤连接器形成的模具内，并完成封装，水凝胶悬浊液还需要将模具置于高压汞灯通过紫外固化法或置于烘箱内通过热固化法进行固化形成水凝胶薄膜；

再次、滤波光纤滤波区间的控制：

根据所使用的胶体光子晶体的性质，选择合适的外场对胶体光子晶体的晶格距离进行调控，进而从全波段的光谱中筛选出和光子晶体水凝胶禁带一致的滤波范围。

在本发明一个较佳实施例中，所述胶体光子晶体选自二氧化硅、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、二氧化钛、氧化铁、四氧化三铁、金、银中的一种或多种。 

在本发明一个较佳实施例中，所述胶体光子晶体分散于水、氮氮二甲基甲酰胺、丙烯碳酸酯、硅油、硝基苯、二苯醚、二甲基亚砜中的一种或者多种混合溶剂形成的溶液中。

在本发明一个较佳实施例中，所述胶体光子晶体分散于甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸羟乙酯、醋酸丁酸纤维素、硅氧烷甲基丙烯酸酯、氟硅甲基丙烯酸酯、全氟醚、N-乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、甲基丙烯酸缩水甘油酯或二甲基丙烯酸乙二醇酯中的一种或多种混合的水凝胶中。

本发明的有益效果是：本发明光纤制备方法工艺简单，体积小、滤波范围可调节、操作简单、可批量大规模生产，适用于微细条件下的光谱检测，调制。附图说明

图1是本发明基于可调控胶体光子晶体的滤波光纤的较佳实施例的结构示意图；

附图中各部件的标记如下：1、光纤；2、光纤连接器；3、基质；4、胶体光子晶体；5、封装套。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1，本发明实施例提供如下技术方案：一种基于可调控胶体光子晶体4的滤波光纤1，包括光纤1、动态光谱调节单元和光纤连接器2，所述动态光谱调节单元包括基质3、胶体光子晶体4和封装套5，所述光纤1与光纤连接器2连接，所述动态光谱调节单元位于光纤连接器2内，由封装套5封装。

优选的，所述光纤1为单模光纤或多模光纤。

优选的，所述胶体光子晶体4呈非密堆积的蛋白石结构或反蛋白石结构，厚度为100纳米至2×10⁶纳米。

优选的，所述的胶体光子晶体4选自二氧化硅、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、二氧化钛、氧化铁、四氧化三铁、金、银中的一种或多种。

优选的，所述胶体光子晶体4粒子的粒径为10纳米至500纳米。

优选的，所述基质3为溶液态或水凝胶态。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种制备基于可调控胶体光子晶体4的滤波光纤1的方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先、胶体光子晶体4溶液的配制：

以单分散的胶体光子晶体4配制胶体晶体溶液，后续需要制成水凝胶薄膜的胶体晶体溶液还需按一定的体积比与合适的水凝胶混合，并添加适量的光引发剂；

其次、动态光谱调节单元的安装：

将配制待用的胶体光子晶体4悬浊液注入光纤连接器2形成的模具内，并完成封装，水凝胶悬浊液还需要将模具置于高压汞灯通过紫外固化法或置于烘箱内通过热固化法进行固化形成水凝胶薄膜；

再次、滤波光纤滤波区间的控制：

根据所使用的胶体光子晶体4的性质，选择合适的外场对胶体光子晶体4的晶格距离进行调控，进而从全波段的光谱中筛选出和光子晶体水凝胶禁带一致的滤波范围。

优选的，所述胶体光子晶体4选自二氧化硅、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、二氧化钛、氧化铁、四氧化三铁、金、银中的一种或多种。 

优选的，所述胶体光子晶体4分散于水、氮氮二甲基甲酰胺、丙烯碳酸酯、硅油、硝基苯、二苯醚、二甲基亚砜中的一种或者多种混合溶剂形成的溶液中。

优选的，所述胶体光子晶体4分散于甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸羟乙酯、醋酸丁酸纤维素、硅氧烷甲基丙烯酸酯、氟硅甲基丙烯酸酯、全氟醚、N-乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、甲基丙烯酸缩水甘油酯或二甲基丙烯酸乙二醇酯中的一种或多种混合的水凝胶中。

优选的中，所述胶体光子晶体4溶液中胶体纳米粒子的质量体积分数为10%-80%；胶体光子晶体4溶液与水凝胶的体积比为1-9；光引发剂占溶液总体积的比例为0.1%-5%。

优选的，所述外场包括电场、磁场、压力、温度或湿度。

所述滤波光纤1通过可调控胶体光子晶体4的光子禁带来实现动态滤波光谱调节，选择合适的外场可进行特定波长的滤波调控。

本发明基于可调控胶体光子晶体4为光谱调节单元的滤波光纤1。胶体光子晶体4粒子在外场的调控下形成有序排布结构，呈现出较窄的光子禁带，有利于滤波。同时通过调节胶体光子晶体4粒径大小，溶液浓度可实现光子禁带在宽范围内的变化。在实验中，该胶体光子晶体4可呈单一的色彩或连续光谱的多种色彩。

本发明基于可调控胶体光子晶体4的滤波光纤1。胶体晶体溶液或者水凝胶薄膜在外场的调控下改变光子晶体在其中的晶格距离，实现光子禁带位置的改变，达到调节滤波范围的效果。

相对于现有技术中的方案，本发明的优点是：

本发明获得一种滤波光纤1，所述滤波光纤1以胶体光子晶体4为光谱调节单元，光子晶体形成有序结构，对光具有干涉作用，进而使滤波光纤1具备较窄的滤波禁带。相对于其他光纤1而言，基于可调控胶体光子晶体4的滤波光纤1具有制备方法工艺简单，体积小、滤波范围可调节、操作简单、可批量大规模生产等优势，适用于微细条件下的光谱检测，调制。

实施例1 基于压力响应蛋白石结构胶体晶体水凝胶薄膜的滤波光纤

胶体光子晶体4溶液的配制：

以直径为212纳米的单分散性二氧化硅球形纳米粒子配制质量体积分数10%的胶体晶体溶液，取890毫升胶体晶体溶液分散到100毫升聚乙二醇双丙烯酸酯中，添加光引发剂偶氮异二丁氰10毫升，超声分散均匀。

动态光谱调节单元的安装：

将配制待用的二氧化硅粒子/聚乙二醇双丙烯酸酯悬浊液注入光纤连接器2形成的模具（厚度为500微米）内，利用高压汞灯通过紫外固化法照射30秒，形成水凝胶薄膜。对制作完成的滤波光纤光谱调节单元进行封装处理，封装单元内保存适量水份。

滤波光纤滤波区间的控制：

通过改变两光纤连接器2之间的距离调整水凝胶薄膜的厚度，记录调节单元的滤波范围与水凝胶厚度的关系。

实施例2 基于压力响应反蛋白石结构胶体晶体水凝胶薄膜的滤波光纤

胶体光子晶体4溶液的配制：

以直径为212纳米的单分散性二氧化硅球形纳米粒子配制质量体积分数10%的胶体晶体溶液，取890毫升胶体晶体溶液分散到100毫升聚乙二醇双丙烯酸酯中，添加光引发剂偶氮异二丁氰10毫升，超声分散均匀。

动态光谱调节单元的安装：

将配制待用的二氧化硅粒子/聚乙二醇双丙烯酸酯悬浊液注入光纤连接器2形成的模具（厚度为500微米）内，利用高压汞灯通过紫外固化法照射30秒，形成水凝胶薄膜。光纤1的水凝胶薄膜置于4%的氢氟酸溶液中浸泡过夜，利用去离水清洗。对制作完成的滤波光纤光谱调节单元进行封装处理，封装单元内保存适量水份。

滤波光纤滤波区间的控制：

通过改变两光纤连接器2之间的距离调整水凝胶薄膜的厚度，记录调节单元的滤波范围与水凝胶厚度的关系。

实施例3 基于磁场响应光子晶体溶液的滤波光纤胶体光子晶体4溶液的配制：

将制备好的四氧化三铁/聚苯乙烯复合超顺磁性纳米粒子（粒径为300纳米）分散在超纯水中，逐步改变浓度，超声分散均匀，使其在磁场调控下光子禁带变化范围能够覆盖400纳米至800纳米。

动态光谱调节单元的安装：

将配制待用磁性光子晶体溶液注入两光纤连接器2和封装装置形成的密闭容器内。

滤波光纤滤波区间的控制：

通过改变平行于光纤1轴线方向磁场强度的大小，记录调节单元的滤波范围与磁场强度的大小的关系。

本发明以胶体光子晶体为光谱调节单元，实现了光纤制备的工艺简单，体积小、滤波范围可调节、操作简单、可批量大规模生产，适用于微细条件下的光谱检测，调制。以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于可调控胶体光子晶体的滤波光纤，其特征在于，包括光纤（1）、动态光谱调节单元和光纤连接器（2），所述动态光谱调节单元包括基质（3）、胶体光子晶体（4）和封装套（5），所述光纤与光纤连接器连接，所述动态光谱调节单元位于光纤连接器内，由封装套封装。

2.根据权利要求1所述的基于可调控胶体光子晶体的滤波光纤，其特征在于，所述光纤为单模光纤或多模光纤。

3.根据权利要求1所述的基于可调控胶体光子晶体的滤波光纤，其特征在于，所述胶体光子晶体呈非密堆积的蛋白石结构或反蛋白石结构，厚度为100纳米至2×10⁶纳米。

4.根据权利要求1所述的基于可调控胶体光子晶体的滤波光纤，其特征在于，所述的胶体光子晶体选自二氧化硅、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、二氧化钛、氧化铁、四氧化三铁、金、银中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的基于可调控胶体光子晶体的滤波光纤，其特征在于，所述胶体光子晶体粒子的粒径为10纳米至500纳米。

6.根据权利要求1所述的基于可调控胶体光子晶体的滤波光纤，其特征在于，所述基质为溶液态或水凝胶态。

7.一种制备权利要求1-6任一所述基于可调控胶体光子晶体的滤波光纤的方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先、胶体光子晶体溶液的配制：

以单分散的胶体光子晶体配制胶体晶体溶液，后续需要制成水凝胶薄膜的胶体晶体溶液还需按一定的体积比与合适的水凝胶混合，并添加适量的光引发剂；

其次、动态光谱调节单元的安装：

将配制待用的胶体光子晶体悬浊液注入光纤连接器形成的模具内，并完成封装，水凝胶悬浊液还需要将模具置于高压汞灯通过紫外固化法或置于烘箱内通过热固化法进行固化形成水凝胶薄膜；

再次、滤波光纤滤波区间的控制：

根据所使用的胶体光子晶体的性质，选择合适的外场对胶体光子晶体的晶格距离进行调控，进而从全波段的光谱中筛选出和光子晶体水凝胶禁带一致的滤波范围。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述胶体光子晶体选自二氧化硅、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、二氧化钛、氧化铁、四氧化三铁、金、银中的一种或多种。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述胶体光子晶体分散于水、氮氮二甲基甲酰胺、丙烯碳酸酯、硅油、硝基苯、二苯醚、二甲基亚砜中的一种或者多种混合溶剂形成的溶液中。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述胶体光子晶体分散于甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸羟乙酯、醋酸丁酸纤维素、硅氧烷甲基丙烯酸酯、氟硅甲基丙烯酸酯、全氟醚、N-乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、甲基丙烯酸缩水甘油酯或二甲基丙烯酸乙二醇酯中的一种或多种混合的水凝胶中。

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