CN111341863A - 一种光波导异质结及其制备方法和光学元器件 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光波导技术领域，尤其涉及一种光波导异质结及其制备方法和光学元器件。本发明光波导异质结中，第一荧光染料的发射光谱与第二荧光染料的吸收光谱相匹配，激发光激发该光波导异质结的第一微米线中第一荧光染料发第一荧光后，第一荧光在第一微米线中以导波形式传输，在第一微米线和第二微米线的结点处，第一荧光可进入第二微米线激发第二荧光染料发出第二荧光，第二荧光在第二微米线的端部输出，实现光波导过程中的波长转换，并且，光波导过程中的波长转换为单向转换，使得该光波导异质结在光学元器件中有很大的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于光波导技术领域，尤其涉及一种光波导异质结及其制备方法和光学元器件。
背景技术
波长灵敏型光子学元器件如波分复用器、波长转换器、光束分离器和波长选择性光波导器等是未来微纳光子集成系统实现全光信息处理与交互通信的前提和关键。目前，微纳尺度内的波长灵敏型元器件的研究刚刚起步，相关的研究并不多见，在过去的研究中，研究人员尝试了包括衍射光栅、光子晶体、介电限域等离子体波导和硅基波导等在内的多种不同复杂结构来设计波长灵敏型光子学元器件。
但是，上述波长灵敏型光子学元器件都是基于无机半导体材料，而无机半导体材料的机械性能较差，尤其是弹性和柔韧性，限制了其应用。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种光波导异质结及其制备方法和光学元器件，该光波导异质结采用透明高分子聚合物作为载体，可实现光波导过程中的波长转换，具有良好的机械性能。
本发明的具体技术方案如下：
一种光波导异质结，包括第一微米线和第二微米线；
所述第一微米线和所述第二微米线拼接和/或连接，所述第一微米线和所述第二微米线均由透明高分子聚合物制得，所述第一微米线和所述第二微米线分别掺杂有第一荧光染料和第二荧光染料；
所述第一荧光染料的发射光谱与所述第二荧光染料的吸收光谱相匹配。
优选的，所述第二微米线的条线为两条以上。
优选的，所述光波导异质结的结构为T型、半卅字型、H型或六字型。
优选的，所述第一荧光染料在所述第一微米线的掺杂量为
所述第二荧光染料在所述第二微米线的掺杂量为
优选的，所述第一荧光染料选自5(6)-羧基荧光素、花菁染料Cy3、香豆素染料、染料FITC和/或染料Alexa Fluor 488；
所述第二荧光染料选自罗丹明6G、尼罗红、染料R-Phycoerythrin、染料PE-eFluor610和/或染料eFluor 605NC。
优选的，所述透明高分子聚合物选自聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基戊烯、聚酰胺和/或聚碳酸酯。
优选的，所述第一微米线的直径为1μm～100μm；
所述第一微米线的长度为20μm～1000μm。
优选的，所述第二微米线的直径为1μm～100μm；
所述第二微米线的长度为20μm～1000μm。
本发明还提供了一种光波导异质结的制备方法，包括以下步骤：
将第一荧光染料和第二荧光染料分别溶于透明高分子聚合物溶液中，再纺丝得到第一微米线和第二微米线，然后将所述第一微米线和所述第二微米线进行拼接和/或连接，得到光波导异质结。
本发明还提供了一种光学元器件，包括：上述技术方案所述光波导异质结或上述技术方案所述制备方法制得的光波导异质结。
综上所述，本发明提供了一种光波导异质结，包括第一微米线和第二微米线；所述第一微米线和所述第二微米线拼接和/或连接，所述第一微米线和所述第二微米线均由透明高分子聚合物制得，所述第一微米线和所述第二微米线分别掺杂有第一荧光染料和第二荧光染料；所述第一荧光染料的发射光谱与所述第二荧光染料的吸收光谱相匹配。本发明中，第一荧光染料的发射光谱与第二荧光染料的吸收光谱相匹配，激发光激发该光波导异质结的第一微米线中第一荧光染料发第一荧光后，第一荧光在第一微米线中以导波形式传输，在第一微米线和第二微米线的结点处，第一荧光可进入第二微米线激发第二荧光染料发出第二荧光，第二荧光在第二微米线的端部输出，实现光波导过程中的波长转换，并且，光波导过程中的波长转换为单向转换，本发明首次基于透明高分子聚合物得到光波导异质结，使得该光波导异质结机械性能优良，材料来源丰富，第一荧光染料和第二荧光染料在透明高分子聚合物中相容性好方便掺杂，该光波导异质结在光学元器件中有很大的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例1中第一微米线和第二微米线的制备流程示意图；
图2为本发明实施例2中制备得到的四种光波导异质结的显微镜图，其中，(a)光波导异质结结构为T型，(b)光波导异质结结构为半卅字型，(c)光波导异质结结构为H型，(d)光波导异质结结构为六字型；
图3为本发明实施例2中制备的四种光波导异质结的荧光显微镜图，其中，(a)光波导异质结结构为T型，(b)光波导异质结结构为半卅字型，(c)光波导异质结结构为H型，(d)光波导异质结结构为六字型；
图4为本发明实施例2制备得到的四种光波导异质结用聚焦激光激发光波导异质结中第一微米线时的发光图，其中，(a)光波导异质结结构为T型，(b)光波导异质结结构为半卅字型，(c)光波导异质结结构为H型，(d)光波导异质结结构为六字型；
图5为本发明实施例2中制备得到的四种光波导异质结的第一微米线输入端和第二微米线输出端的荧光光谱，其中，(a)、(b)和(d)光波导异质结中第一微米线输入端为第一微米线的端点，(c)光波导异质结中第一微米线输入端为第一微米线的中点。
具体实施方式
本发明提供了一种光波导异质结及其制备方法和光学元器件，该光波导异质结采用透明高分子聚合物作为载体，可实现光波导过程中的波长转换，具有良好的机械性能。
下面将对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种光波导异质结，包括第一微米线和第二微米线；
第一微米线和第二微米线拼接和/或连接，第一微米线和第二微米线均由透明高分子聚合物制得，第一微米线和第二微米线分别掺杂有第一荧光染料和第二荧光染料；
第一荧光染料的发射光谱与第二荧光染料的吸收光谱相匹配。
本发明中，第一荧光染料的发射光谱与第二荧光染料的吸收光谱相匹配，激发光激发该光波导异质结的第一微米线中第一荧光染料发第一荧光后，第一荧光在第一微米线中以导波形式传输，在第一微米线和第二微米线的结点处，第一荧光可进入第二微米线激发第二荧光染料发出第二荧光，第二荧光在第二微米线的端部输出，实现光波导过程中的波长转换，并且，光波导过程中的波长转换为单向转换，本发明首次基于透明高分子聚合物得到光波导异质结，使得该光波导异质结机械性能优良，材料来源丰富，第一荧光染料和第二荧光染料在透明高分子聚合物中相容性好方便掺杂，该光波导异质结在光学元器件中有很大的应用前景。
本发明中，第二微米线的条线为两条以上，第一微米线作为主干，第二微米线作为分支。
进一步的，光波导异质结的结构为T型、半卅字型、H型或六字型。需要说明的是，光波导异质结的结构还可为其它形式，此处不做具体限定。
本发明中，第一荧光染料在第一微米线的掺杂量为
第二荧光染料在第二微米线的掺杂量为
本发明中，第一荧光染料选自5(6)-羧基荧光素、花菁染料Cy3、香豆素染料、染料FITC和/或染料Alexa Fluor 488；
第二荧光染料选自罗丹明6G、尼罗红、染料R-Phycoerythrin、染料PE-eFluor 610和/或染料eFluor 605NC。
本发明中，透明高分子聚合物选自聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基戊烯、聚酰胺和/或聚碳酸酯。
进一步的，第一荧光染料优选为5(6)-羧基荧光素，第二荧光染料优选为罗丹明6G，透明高分子聚合物优选为聚苯乙烯。光波导异质结的波长转换基于第一微米线中5(6)-羧基荧光素和第二微米线中罗丹明6G之间的能量转移，进而使得光波导中的发光波长由绿光转变红光。
5(6)-羧基荧光素、罗丹明6G和聚苯乙烯的结构式如下：
更具体的，该光波导异质结进行波长转换时，通过激发光波导异质结中第一微米线的光波导实现波长转换，在光波导异质结中第一微米线的一端将波长为442nm的激光耦合输入第一微米线，激发第一微米线中5(6)-羧基荧光素的绿色荧光，5(6)-羧基荧光素的荧光在第一微米线中以导波形式传输，导波荧光一部分沿着第一微米线从激发点处传输到端口处，在第一微米线的另一端输出，一部分经过与第二微米线的结点处，通过侧面耦合进入第二微米线，有效的激发第二微米线中罗丹明6G的红色荧光，红色荧光经过传输在第二微米线的另一端输出，完成了光波导过程中绿光到红光的波长转换。
本发明中，第一微米线的直径为1μm～100μm；
第一微米线的长度为20μm～1000μm。
本发明中，第二微米线的直径为1μm～100μm；
第二微米线的长度为20μm～1000μm。
本发明还提供了一种光波导异质结的制备方法，包括以下步骤：
将第一荧光染料和第二荧光染料分别溶于透明高分子聚合物溶液中，再纺丝得到第一微米线和第二微米线，然后将第一微米线和第二微米线进行拼接和/或连接，得到光波导异质结。
本发明中，透明高分子聚合物溶液中的溶剂选自四氢呋喃、二氯甲烷、三氯甲烷和甲酸中的一种或多种，透明高分子聚合物溶液的质量浓度为10wt％～30wt％。
更具体的，光波导异质结的制备方法包括以下步骤：将5(6)-羧基荧光素和罗丹明6G分别溶于聚苯乙烯溶液中，搅拌均匀后通过注射器针头拾取溶液，以0.5～10m/s的速度从溶液中拉制出分别掺杂有5(6)-羧基荧光素和罗丹明6G的聚苯乙烯微米线，即第一微米线和第二微米线，再将拉丝后得到的第一微米线和第二微米线置于悬空的支架上放置60～1440min，然后转移至超薄玻璃片表面,在激发光的辐照下第一微米线和第二微米线分别发出绿色荧光和红色荧光，绿色荧光和红色荧光分别来源于第一微米线中的5(6)-羧基荧光素和第二微米线中的罗丹明6G；
再将置于超薄玻璃片上的第一微米线和第二微米线用注射器的针尖划断，将第一微米线和第二微米线转移至同一片玻璃片上，在光学显微镜下，通过固定在三维操作平台上的光纤锥进行微操作，将第一微米线和第二微米线进行拼接，得到光波导异质结。
本发明中，结合微操作的方法，将不同发光和不同功能的聚合物微纳米线拼接组合，得到具有波长转换功能的光波导异质结构，通过激发第一微米线中的光波导可成功的将第一荧光传导并转换第二微米线中的第二荧光波导，波长转换过程快捷、简便、可靠，波长转换的结果可从第一微米线和第二微米线中掺杂的荧光染料进行预判。
本发明光波导异质结构具有结构简单、成本低廉、易于集成的优点，为发展波长灵敏型纳米光子学器件提供了一种全新的选择。
本发明还提供了一种光学元器件，包括：上述技术方案光波导异质结或上述技术方案制备方法制得的光波导异质结。
为了进一步理解本发明，下面结合具体实施例对本发明进行详细阐述。
具体实施例中，5(6)-羧基荧光素、罗丹明6G和聚苯乙烯均购于阿拉丁生化科技有限公司，聚苯乙烯结构式的n为250。
实施例1
请参阅图1，为本发明实施例1中第一微米线和第二微米线的制备流程示意图，第一微米线和第二微米线的制备过程如下：
将0.6g聚苯乙烯溶解于3ml四氢呋喃中得到聚苯乙烯溶液，再加入2mg5(6)-羧基荧光素配置成5(6)-羧基荧光素溶液(第一溶液)，搅拌均匀后通过注射器针头拾取第一溶液，溶剂挥发约5～10s后，以1m/s～3m/s的速度从溶液中直接拉制出5(6)-羧基荧光素掺杂的聚苯乙烯微米线，即第一微米线，再将拉丝后得到的第一微米线置于悬空的支架上放置1天，再转移至超薄玻璃片表面，在波长为442nm激发光的辐照下第一微米线发出绿色的荧光，该荧光来源于染料5(6)-羧基荧光素。
将0.6g聚苯乙烯溶解于3ml四氢呋喃中得到聚苯乙烯溶液，再加入2mg罗丹明6G配置成罗丹明6G溶液(第二溶液)，搅拌均匀后通过注射器针头拾取第二溶液，溶剂挥发约5～10s后，以1m/s～3m/s的速度从溶液中直接拉制出罗丹明6G掺杂的聚苯乙烯微米线，即第二微米线，再将拉丝后得到的第二微米线置于悬空的支架上放置1天，再转移至超薄玻璃片表面，在波长为442nm激发光的辐照下第二微米线发出红色的荧光，该荧光来源于染料罗丹明6G。
本发明通过直接拉制法制备的第一微米线的直径为4μm，第二微米线的直径为4μm，第一微米线和第二微米线表现出较好的均匀性和表面粗糙度，荧光染料在微米线中的分布相对均匀，没有出现团聚的现象，使得第一微米线和第二微米线能够均匀发光。
实施例2
请参阅图2，为本发明实施例2中制备得到的四种光波导异质结的显微镜图，其中，(a)光波导异质结结构为T型，(b)光波导异质结结构为半卅字型，(c)光波导异质结结构为H型，(d)光波导异质结结构为六字型。四种光波导异质结的制备过程如下：
把实施例1置于超薄玻璃片上的第一微米线和第二微米线用注射器的针尖划断，第一微米线的长度为30μm，第二微米线的长度为40μm，将第一微米线和第二微米线转移至同一片玻璃片上，在装有长工作距离物镜的光学显微镜下，利用固定在三维操作平台上的光纤锥进行微操作，拼接组合成图2中的四种光波导异质结。
将制备的光波导异质结在荧光显微镜下观察，第一微米线和第二微米线连接良好，没有明显的结构缺陷。请参阅图3，为本发明实施例2中制备的四种光波导异质结的荧光显微镜图，其中，(a)光波导异质结结构为T型，(b)光波导异质结结构为半卅字型，(c)光波导异质结结构为H型，(d)光波导异质结结构为六字型。在442nm分散激光宽照下，滤除激发光，在整根纤维上可以观察到明显的荧光散射光，表明在第一微米线和第二微米线中，染料仍然保持了良好的荧光特性。掺杂有5(6)-羧基荧光素的第一微米线通体发出绿色的荧光，掺杂有罗丹明6G的第二微米线通体发出橘色的荧光。不论光波导异质结的结构如何，发光的规律都是如此。
实施例3
请参阅图4，为本发明实施例2制备得到的四种光波导异质结用聚焦激光激发光波导异质结中第一微米线时的发光图，其中，(a)光波导异质结结构为T型，(b)光波导异质结结构为半卅字型，(c)光波导异质结结构为H型，(d)光波导异质结结构为六字型。图4表明，第一微米线激发出的荧光有效的传向了第二微米线，在第二微米线的端部观察到了出射的光斑，这表明第一微米线内传输的光成功地从第二微米线里波导出了。
请参阅图5，为本发明实施例2中制备得到的四种光波导异质结的第一微米线输入端和第二微米线输出端的荧光光谱，其中，(a)、(b)和(d)光波导异质结中第一微米线输入端为第一微米线的端点，(c)光波导异质结中第一微米线输入端为第一微米线的中点。结果表明，第一微米线输入端的光谱主峰位置在527nm处，第二微米线输出端的光谱主峰位置在567nm处，表明所有的第二微米线都实现了波长的转换，这是由于光传导过程中，第一微米线和第二微米线中两种染料实现了激子转化，5(6)-羧基荧光素激发态的能级要比罗丹明6G高，可以把能量传递罗丹明6G，实现了光信号的从绿光到橘红色光的波长转换。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种光波导异质结，其特征在于，包括第一微米线和第二微米线；
所述第一微米线和所述第二微米线拼接和/或连接，所述第一微米线和所述第二微米线均由透明高分子聚合物制得，所述第一微米线和所述第二微米线分别掺杂有第一荧光染料和第二荧光染料；
所述第一荧光染料的发射光谱与所述第二荧光染料的吸收光谱相匹配。
2.根据权利要求1所述的光波导异质结，其特征在于，所述第二微米线的条线为两条以上。
3.根据权利要求1所述的光波导异质结，其特征在于，所述光波导异质结的结构为T型、半卅字型、H型或六字型。
4.根据权利要求1所述的光波导异质结，其特征在于，所述第一荧光染料在所述第一微米线的掺杂量为
所述第二荧光染料在所述第二微米线的掺杂量为
5.根据权利要求1所述的光波导异质结，其特征在于，所述第一荧光染料选自5(6)-羧基荧光素、花菁染料Cy3、香豆素染料、染料FITC和/或染料Alexa Fluor 488；
所述第二荧光染料选自罗丹明6G、尼罗红、染料R-Phycoerythrin、染料PE-eFluor 610和/或染料eFluor 605NC。
6.根据权利要求1所述的光波导异质结，其特征在于，所述透明高分子聚合物选自聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基戊烯、聚酰胺和/或聚碳酸酯。
7.根据权利要求1所述的光波导异质结，其特征在于，所述第一微米线的直径为1μm～100μm；
所述第一微米线的长度为20μm～1000μm。
8.根据权利要求7所述的光波导异质结，其特征在于，所述第二微米线的直径为1μm～100μm；
所述第二微米线的长度为20μm～1000μm。
9.一种光波导异质结的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将第一荧光染料和第二荧光染料分别溶于透明高分子聚合物溶液中，再纺丝得到第一微米线和第二微米线，然后将所述第一微米线和所述第二微米线进行拼接和/或连接，得到光波导异质结。
10.一种光学元器件，其特征在于，包括：权利要求1至8任意一项所述光波导异质结或权利要求9所述制备方法制得的光波导异质结。
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| HONGYAN XIA ET AL.: ""Recent advances of the polymer micro/nanofiber fluorescence waveguide"", 《POLYMERS》 * |
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