CN103162827A - 一种基于可调控胶体光子晶体的微型光谱仪及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可调控胶体光子晶体的微型光谱仪，所述微型光谱仪包括入射光连接器、波长选择单元和探测器，所述波长选择单元包括可调控胶体光子晶体和导光棒，所述可调控胶体光子晶体在导光棒外壁形成环状包层。通过上述方式，本发明的可调控胶体光子晶体光谱仪具有体积小、功耗低、灵敏度高、成本低、可批量大规模生产优势。

Description

一种基于可调控胶体光子晶体的微型光谱仪及其制备方法

技术领域

本发明涉及动态微型光谱仪领域，特别是涉及一种基于可调控胶体光子晶体的微型光谱仪及其制备方法。

背景技术

光谱仪是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器，由棱镜或衍射光栅等构成，利用光谱仪可测量物体表面反射的光线。光谱仪有多种类型，除在可见光波段使用的光谱仪外，还有红外光谱仪和紫外光谱仪。按色散元件的不同可分为棱镜光谱仪、光栅光谱仪和干涉光谱仪等。按探测方法分，有直接用眼观察的分光镜，用感光片记录的摄谱仪，以及用光电或热电元件探测光谱的分光光度计等。

光子晶体是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波。当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构。能带与能带之间出现光子带隙。所具能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。

利用外界条件（电场、磁场、压力、温度、湿度等）调制光子晶体的光子禁带，在光谱范围内形成连续变化。在此基础上，对未知波长的待测光进行波长筛选，达到光谱仪的检测效果。

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微型光谱仪，解决了现有光谱仪成本昂贵，结构复杂，不易于微型化等缺点。

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微型光谱仪，所述微型光谱仪包括入射光连接器、波长选择单元和探测器，所述波长选择单元包括可调控胶体光子晶体和导光棒，所述可调控胶体光子晶体在导光棒外壁形成环状包层。

在本发明一个较佳实施例中，所述可调控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，所述可调控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中，形成胶体粒子溶液。

在本发明一个较佳实施例中，所述可调控胶体光子晶体粒子的粒径在10纳米到500纳米之间。

在本发明一个较佳实施例中，所述导光棒选自石英棒、玻璃棒、有机玻璃棒或阶跃型光纤芯层，其芯径在10微米到2毫米之间。

在本发明一个较佳实施例中，所述胶体粒子溶液的浓度在1%-80%。

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微型光谱仪的方法，包括以下步骤：

首先，微型光谱仪的硬件准备：

将入射光连接器，探测器分别连接到导光棒的两端，导光棒外侧的波长选择单元区域添加胶体光子晶体溶液的容纳装置；

其次，胶体光子晶体溶液的配制：

选择符合要求的胶体光子晶体粒子配置浓度为1%-80%的胶体溶液,将配置好的溶液注入容纳装置中；

再次，微型光谱仪波长选择单元的控制：

根据所使用的胶体光子晶体粒子的性质，选择合适的外场对胶体光子晶体在溶液中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溶液禁带一致的光谱。

在本发明一个较佳实施例中，所述外场包括电场、磁场、压力、温度、湿度。

在本发明一个较佳实施例中，所述光谱筛选范围为260纳米到2微米。

有益效果是：本发明的利用可调控胶体光子晶体的微型光谱仪与现有光谱仪相比，具有体积小、功耗低、灵敏度高、成本低、可批量大规模生产等优势，尤其与光纤结合，适用于微细条件下的光谱检测和调制。

附图说明

图1是本发明可调控胶体光子晶体的微型光谱仪机构示意图；

附图中各部件的标记如下：1、入射光连接器；2、波长选择单元；3、探测器；4、导光棒；5、可调控胶体光子晶体。

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是

在一个实施例中，一种基于可调控胶体光子晶体的微型光谱仪，所述微型光谱仪包括入射光连接器1、波长选择单元2和探测器3，所述波长选择单元2包括可调控胶体光子晶体和导光棒4，所述可调控胶体光子晶体在导光棒4外壁形成环状包层。

优选的，所述可调控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。

优选的，所述可调控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中，形成胶体粒子溶液。

优选的，所述可调控胶体光子晶体粒子的粒径在10纳米到500纳米之间。

优选的，所述导光棒4选自石英棒、玻璃棒、有机玻璃棒或阶跃型光纤芯层，其芯径在10微米到2毫米之间。

优选的，所述胶体粒子溶液的浓度在1%-80%。

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微型光谱仪的方法，包括以下步骤：

首先，微型光谱仪的硬件准备：

将入射光连接器1，探测器3分别连接到导光棒4的两端，导光棒4外侧的波长选择单元2区域添加胶体光子晶体溶液的容纳装置；

其次，胶体光子晶体溶液的配制：

选择符合要求的胶体光子晶体粒子配置浓度为1%-80%的胶体溶液,将配置好的溶液注入容纳装置中；

再次，微型光谱仪波长选择单元2的控制：

根据所使用的胶体光子晶体粒子的性质，选择合适的外场对胶体光子晶体在溶液中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溶液禁带一致的光谱。

优选的，所述外场包括电场、磁场、压力、温度、湿度。

优选的，所述光谱筛选范围为260纳米到2微米。

基于胶体光子晶体实现可调控动态波长选择，以折射率均匀分布的导光棒4为内芯，

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

实施例1  基于磁场响应光子晶体的微型光谱仪

（1）微型光谱仪的硬件准备：

选择芯径1毫米的石英棒作为导光棒4，将入射光连接器1、探测器3分别连接到石英棒的两端，石英棒外侧环绕聚乙烯塑料管（芯径5毫米）作为胶体光子晶体溶液的容纳装置（长度为2厘米）；

（2）胶体光子晶体溶液的配制：

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138纳米）分散在超纯水中，逐步改变浓度，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。将配置完成的磁性纳米粒子溶液注入步骤（1）中容纳装置中。

（3）微型光谱仪波长选择单元2的控制：

通过改变外加磁场强度控制波长选择单元2中四氧化三铁/聚苯乙烯复合超顺磁性纳米粒子形成的有序结构，记录其光子禁带的位置与磁场强度大小的关系。

实施例2  基于磁场响应光子晶体的微型光谱仪

（1）微型光谱仪的硬件准备：

选择芯径为62.5/125毫米的多模光纤作为导光棒4，利用浓度4%的氢氟酸将波长选择单元2的光纤包层腐蚀去除，将入射光连接器1、探测器3分别连接到光纤的两端，光纤外侧环绕聚乙烯塑料管（芯径1毫米）作为胶体光子晶体溶液5的容纳装置（长度2厘米）；

（2）胶体光子晶体溶液的配制：

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，使其在磁场调控下光子禁带变化范围能够覆盖700纳米至1600纳米。将配置完成的磁性纳米粒子溶液注入步骤（1）中容纳装置中。

（3）微型光谱仪波长选择单元2的控制：

通过改变外加磁场强度控制波长选择单元2中四氧化三铁/聚苯乙烯复合超顺磁性纳米粒子形成的有序结构，记录其光子禁带的位置与磁场强度大小的关系。

实施例3  基于电场响应光子晶体的微型光谱仪

（1）微型光谱仪的硬件准备：

选择芯径1毫米的石英棒作为导光棒4，将入射光连接器1、探测器3分别连接到石英棒的两端，石英棒外侧环绕聚乙烯塑料管（芯径5毫米）作为胶体光子晶体溶液的容纳装置（长度为2厘米）；

（2）胶体光子晶体溶液的配制：

将制备好的四氧化三铁/二氧化硅复合纳米粒子（粒径为150纳米）分散在丙烯碳酸酯中，质量体积分数为25%，使其在电场调控下光子禁带变化范围能够覆盖400纳米至800纳米。将配置完成的纳米粒子溶液注入步骤（1）中容纳装置中。

（3）微型光谱仪波长选择单元2的控制：

通过改变外加电场的电压控制波长选择单元2中四氧化三铁/二氧化硅复合纳米粒子形成的有序结构，记录其光子禁带的位置与电压大小的关系。

本发明本发明基于可调控胶体光子晶体作为光谱仪的动态波长选择单元，光谱仪可以直接接入光路中，因此降低了光谱仪制造成本，简化了光路设计，实现了系统的微型化，也有助于微型系统中光谱仪的使用。使得本发明的微型光谱仪具有体积小、功耗低、灵敏度高、成本低、可批量大规模生产等优势。

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 (9)

1.一种基于可调控胶体光子晶体的微型光谱仪，其特征在于，所述微型光谱仪包括入射光连接器（1）、波长选择单元（2）和探测器（3），所述波长选择单元包括可调控胶体光子晶体（5）和导光棒（4），所述可调控胶体光子晶体（5）在导光棒（4）外壁形成环状包层。

2.根据权利要求1所述的基于可调控胶体光子晶体的微型光谱仪，其特征在于，所述可调控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。

3.根据权利要求1所述的基于可调控胶体光子晶体的微型光谱仪，其特征在于，所述可调控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中，形成胶体粒子溶液。

4.根据权利要求1所述的基于可调控胶体光子晶体的微型光谱仪，其特征在于，所述可调控胶体光子晶体粒子的粒径在10纳米到500纳米之间。

5.根据权利要求1所述的基于可调控胶体光子晶体的微型光谱仪，其特征在于，所述导光棒选自石英棒、玻璃棒、有机玻璃棒或阶跃型光纤芯层，其芯径在10微米到2毫米之间。

6.根据权利要求3所述的基于可调控胶体光子晶体的微型光谱仪，其特征在于，所述胶体粒子溶液的浓度在1%-80%。

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微型光谱仪的方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先，微型光谱仪的硬件准备：

将入射光连接器，探测器分别连接到导光棒的两端，导光棒外侧的波长选择单元区域添加胶体光子晶体溶液的容纳装置；

其次，胶体光子晶体溶液的配制：

选择符合要求的胶体光子晶体粒子配置浓度为1%-80%的胶体溶液,将配置好的溶液注入容纳装置中；

再次、微型光谱仪波长选择单元的控制：

根据所使用的胶体光子晶体粒子的性质，选择合适的外场对胶体光子晶体在溶液中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溶液禁带一致的光谱。

8.根据权利要求7所述的制备权利要求1-6任一所述基于可调控胶体光子晶体的微型光谱仪的方法，其特征在于，所述外场包括电场、磁场、压力、温度、湿度。

9.根据权利要求7所述的制备权利要求1-6任一所述基于可调控胶体光子晶体的微型光谱仪的方法，其特征在于所述光谱筛选范围为260纳米到2微米。