CN107290820B - 一种介质硅光子晶体光纤及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种介质硅光子晶体光纤及其制作方法，包括介质硅纳米粒子、微米光纤、宽谱激光器、光谱分析仪、光学UV胶、石英毛细管、显微镜、紫外光固化器。本发明将介质硅纳米粒子均匀分散在光学UV胶中，借助宽谱激光器和光谱分析仪实时监测透射光谱变化，利用紫外光固化器固化UV胶来获得固体光子晶体结构，并通过显微镜实时观测光子晶体光纤结构的形成过程。介质硅纳米粒子具备局域光场增强和零后向散射特点，通过本发明公布的制作方法获得的介质硅光子晶体光纤，有助于新型生化传感及光子器件的研制。
Description
技术领域
本发明基于介质硅纳米粒子的局域光场增强和零后向散射特性，提供了一种介质硅光子晶体光纤及其制作方法。
背景技术
光子晶体光纤，又称微结构光纤，相关概念最早由Rusell于1992年提出，随后由Birks于1995年从理论上验证了其导光性能，并与1999年首次成功制备。它可通过亚波长周期微结构实现对光信号的空间调制，近年来在非线性光学、激光诱导传输、生物医学成像、光学传感、量子光学器件等领域受到广泛关注并获得迅速发展。未来该技术在其他科研和工程领域还会开辟更多的研究方向，也亟需在更多领域拓展其应用范围。
传统光子晶体光纤是由石英与空气组成的周期排列二维结构，其制作工艺是通过将特定几何尺寸的石英毛细管堆积来制作预制棒，再将预制棒放在光纤拉丝塔中，采用精确控制加热温度、惰性气体压强和拉制速度来制备符合尺寸要求的光子晶体光纤。受到以上三个条件及其稳定性的限制，采用预制棒拉制技术制备的光子晶体光纤的几何结构参数难以精确控制。正是由于光子晶体光纤的制备技术复杂，目前国际上仅NKTPhotonics公司能提供商用化的光子晶体光纤，处于垄断地位，因此光子晶体光纤价格居高不下，也在客观上限制了光子晶体光纤相关应用的发展。
从近年来相关研究进展可看出：相对于表面等离子体纳米结构，具有Mie谐振特性的高折射率介质硅纳米粒子可以保证电场和磁场偶极子模式共存，进而利用电、磁场相互作用产生局域光场增强效应，有效增强表面荧光和拉曼散射，并且不会产生自加热现象，适合对热敏感生物样品的高精度检测；当电、磁场强度相当时，可有效减小甚至近乎消除后向散射，可用于减小背景噪声，提高微型传感器件性能；所产生Fano谐振现象的Q值更高，可用于实现痕量分子浓度或单分子探测，并在此基础上开发高分辨率、高集成度的微型生物传感器。
同时，通过在光纤表面自组装纳米粒子胶体，实现传感器件性能改进的相关研究工作中，所使用的基元均为聚合物纳米粒子或金属纳米粒子，尚未出现将介质纳米粒子胶体自组装结构与光纤结构或光纤传感技术相结合，并设计先进传感器件研究的报道。
发明内容
本发明提供了一种介质硅光子晶体光纤及其制作方法，解决了目前介质硅纳米粒子结构只能在平面结构上通过昂贵的纳米加工设备制作的问题，结合介质硅纳米粒子、光学UV胶和石英毛细管。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种介质硅光子晶体光纤，包含有介质硅纳米粒子、光学UV胶、微米光纤，介质硅纳米粒子借助超声波振荡均匀分散并悬浮微米光纤的光学UV胶5中，形成三维光子晶体结构。
其中，介质硅纳米粒子1的形状为球形，直径为100nm；微米光纤2的材质为石英，折射率为1.46，内径为20微米，外径为150微米，由普通单模光纤经过高温拉伸法制备得到。光学UV胶5的折射率为1.37。
上述的介质硅光子晶体光纤制作采用的技术方案是：
(1)利用微量生物注射器将含有介质硅纳米粒子1的光学UV胶5注入微米光纤6中，借助超声波振荡技术使介质硅纳米粒子1均匀分散并悬浮在光学UV胶5中，即形成三维光子晶体结构；
(2)使用显微镜7实时监测光子晶体结构，并通过宽谱激光器3和光谱分析仪4实时监测透射光谱变化，待观测到光子晶体光纤的特征透射光谱时启动紫外光固化器8将光学UV胶5固化，截取固化后的石英毛细管，得到介质硅光子晶体光纤。
其中，宽谱激光器3的波长范围为1520-1560nm，光谱分析仪4的波长探测范围为1200-2000nm，可用于光纤透射光谱的实时观测，以结合显微镜7来确定光子晶体结构的形成。紫外光固化器8的功率为125W，可使光学UV胶5在5s内快速固化，将光纤结构固定。
与现有技术相比，本发明的有益效果是
1)本发明提出的一种介质硅光子晶体光纤的制作方法，可以通过选取不同参数或类型的介质硅纳米粒子、不同折射率的光学UV胶和不同尺寸的石英毛细管，构建所需的光子晶体光纤；
2)本发明提出的一种介质硅光子晶体光纤的制作方法，相比于传统光纤光栅的制备工艺来说，该方法制备速度快、所需设备简单，可以节省光子晶体光纤的制作成本。
3)本发明提出的一种介质硅光子晶体光纤的制作方法，该方法更加环保和高效，所制备的光子晶体光纤具有常规光子晶体光纤的光学特性。
附图说明
附图1为一种介质硅光子晶体光纤的制作方法示意图。
图中：1介质硅纳米粒子；2微米光纤；3宽谱激光器；4光谱分析仪；5光学UV胶；6石英毛细管；7显微镜；8紫外光固化器。
具体实施方式
下面通过具体实施方式阐明本发明的实质特点和显著进步。
一种介质硅光子晶体光纤的制作方法，与传统光子晶体光纤制备工艺相比，采用UV胶自身呈液体状、透明并且易掺杂的特点，实现介质硅纳米粒子在其中的均匀分布，形成并制备三维光子晶体结构光纤，介质硅纳米粒子1、微米光纤2、宽谱激光器3、光谱分析仪4、光学UV胶5、石英毛细管6、显微镜7、紫外光固化器8。具体实施方式是利用微量生物注射器将含有介质硅纳米粒子1的光学UV胶5注入石英毛细管6中，借助超声波振荡技术使介质硅纳米粒子1均匀分散并悬浮在UV胶5中，即形成三维光子晶体结构，使用显微镜7实时监测光子晶体结构的形成过程，并结合宽谱激光器3和光谱分析仪4实时监测透射光谱变化，待观测到光子晶体光纤的特征透射光谱时启动紫外光固化器8将光学UV胶5迅速固化，即可将介质硅光子晶体结构固定在石英毛细管中，截取固化后的石英毛细管，就可得到介质硅光子晶体光纤。其中，介质硅纳米粒子1的形状为球形，直径为100nm，微米光纤2的材质为石英，折射率为1.46，由普通单模光纤经过高温拉伸法制备得到，直径为2微米，宽谱激光器3的波长范围为1520-1560nm，光谱分析仪4的波长探测范围为1200-2000nm，可用于光纤透射光谱的实时观测，以结合显微镜7来确定光子晶体结构的形成，光学UV胶5的折射率为1.37，石英毛细管6的内径为20微米，外径为150微米，折射率为1.46，紫外光固化器8的功率为125W，可使UV胶在5s内快速固化，将光子晶体结构固定。
本发明利用UV胶作为介质硅纳米粒子的基液，因此可借助UV胶的紫外固化特性得到固化的介质硅光子晶体光纤。相比于传统光子晶体光纤制作工艺，该方法成本低、制备速度快、所需设备简单、光纤参数可灵活控制，可以大大节省光子晶体光纤的制作成本。同时，构建光子晶体光纤的介质硅纳米粒子、UV胶折射率和石英毛细管可以根据实际应用需要选择所需几何尺寸和功能修饰材料，来制备多种类型光子晶体光纤，丰富相关研究内容。
Claims (10)
1.一种介质硅光子晶体光纤，包含有介质硅纳米粒子、光学UV胶、微米光纤，介质硅纳米粒子借助超声波振荡均匀分散并悬浮微米光纤的光学UV胶(5)中，形成三维光子晶体结构。
2.根据权利要求1所述的一种介质硅光子晶体光纤，其特征在于，所述的介质硅纳米粒子(1)的形状为球形，直径为100nm。
3.根据权利要求1或2所述的一种介质硅光子晶体光纤，其特征在于，所述的微米光纤的材质为石英，折射率为1.46，内径为20微米，外径为150微米，光学UV胶(5)的折射率为1.37。
4.根据权利要求1或2所述的一种介质硅光子晶体光纤，其特征在于，所述的光学UV胶(5)的折射率为1.37。
5.根据权利要求3所述的一种介质硅光子晶体光纤，其特征在于，所述的光学UV胶(5)的折射率为1.37。
6.权利要求1-5任一所述一种介质硅光子晶体光纤的制作方法，包括以下步骤：
(1)利用微量生物注射器将含有介质硅纳米粒子(1)的光学UV胶(5)注入微米光纤(6)中，借助超声波振荡技术使介质硅纳米粒子(1)均匀分散并悬浮在光学UV胶(5)中，即形成三维光子晶体结构；
(2)使用显微镜(7)实时监测光子晶体结构，并通过宽谱激光器(3)和光谱分析仪(4)实时监测透射光谱变化，待观测到光子晶体光纤的特征透射光谱时启动紫外光固化器(8)将光学UV胶(5)固化，截取固化后的石英毛细管，得到介质硅光子晶体光纤。
7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述的宽谱激光器的波长范围为1520-1560nm。
8.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，光谱分析仪的波长探测范围为1200-2000nm。
9.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，光谱分析仪的波长探测范围为1200-2000nm。
10.根据权利要求7或8或9所述的制作方法，其特征在于，紫外光固化器的功率为125W。
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