CN115140933A - 一种实时光纤制备的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实时光纤制备的装置及方法，该装置由铌酸锂芯片和玻璃衬底构成。本发明由激光器聚焦光路和实时观测光路两部分组成，利用铌酸锂光生伏打效应产生的空间电场实现了光敏微液滴(聚丙烯酸酯)的喷射，同时对液滴喷射产生的尾迹进行快速紫外光固化，得到了尺寸均匀的光纤。该方法形成的光纤具有直径可控、长度可调、粘度可变等特点，且整个实验过程(喷射及光固化)均采用激光辅助操控，具有灵敏度高、可靠性强的特点。该技术对未来光子学集成芯片结构发展具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种实时光纤制备的技术，具体是一种利用激光辐照铌酸锂芯片产生的电场对光敏液滴(聚丙烯酸酯)进行喷射，同时对液滴喷射尾迹进行实时固化得到了不同宽高比的光学纤维。
背景技术
随着微流控芯片技术的迅速发展，微液滴操控已经成为该领域的研究热点。微液滴的产生、输运、合并、分离等操控已经被广泛研究，但是针对微液滴三维空间的操控尤为困难，本专利目的提出了一种“冻结”三维液滴界面的方法，即用紫外光对光敏微液滴界面进行实时固化，得到了均匀的微米级光学纤维。这种操控技术在未来光子学集成芯片器件发展具有重要作用。
2021年Liu Lianqing等人(In Situ Electrohydrodynamic Jet Printing-BasedFabrication of Tunable Microlens Arrays，ACS Appl Mater Interfaces，13(37)，45018-45032(2021))报道了一种微透镜的制备方法，该方法需要在目标基板印刷电极，制备方法复杂且昂贵，且存在死区。
发明内容
目前已报道的微液滴操控方法存在诸多缺点，如：需要制备沟道、印刷电极电路、输运过程不能实时控制等问题。针对上述问题，本发明提供一种简单、实时的微米级光纤制备方法，制备得到的纤维直径长度均可控，且通过紫外(365nm)背景光实时固化，避免外界扰动对光纤造成的影响，在空气环境中就能实现光纤的制备，方法简单，且整个实验过程实时可控。
一种实时光纤制备的装置，其特征在于：激光器1、电子快门2、光阑3、激光反射镜4、聚焦物镜5、铌酸锂芯片7、玻璃衬底8按顺序形成激光聚焦光路；背景光源6、观测物镜9、滤光片10、CCD相机11按顺序形成实时观测光路。
一种实时光纤制备的方法，其特征在于：以铌酸锂衬底为液滴储存器，铌酸锂芯片和玻璃衬底形成空间夹层，光敏液滴(聚丙烯酸酯)在激光的辐照下进行喷射，此时可利用紫外 (365nm)背景光对液滴喷射过程中形成的尾迹进行实时的光固化，进而得到尺寸均匀的光学纤维。
一种实时光纤制备的方法，其特征在于：通过调节激光功率和夹层间距大小，可高效的形成不同宽高比的光学纤维。
一种实时光纤制备的方法，其特征在于：对聚丙烯酸酯喷射尾迹进行实时固化，避免了外界扰动，增强了结构的稳定性。
一种实时光纤制备的方法，其特征在于：置于铌酸锂芯片的聚丙烯酸酯微液滴喷射是发生在三维空间下，所以可形成三维立体光纤。
与现有技术相比，本发明的优点在于：以铌酸锂芯片为液滴储存器，以单个铌酸锂芯片和玻璃衬底形成空间夹层，装置结构简单、成本低廉；利用铌酸锂光生伏打效应产生的空间电场实现了聚丙烯酸酯微液滴的喷射，对该液滴喷射产生的尾迹进行快速紫外光固化，得到了尺寸均匀的光纤。该方法形成的光纤具有直径可控、长度可调、粘度可变等特点，且整个实验过程(喷射及光固化)均采用激光辅助操控，所以该方法具有灵敏度高、可靠性强的特点，且整个过程可实时观测。
附图说明
图1为本发明实时光纤制备的装置整体结构示意图。
图2为本发明实时光纤制备的铌酸锂芯片和玻璃衬底之间的空间夹层具体结构示意图。
图3为本发明实时光纤制备的一种实施例(实施例1)光敏液滴喷射过程图。
图4为本发明实时光纤制备方案的一种实施例(实施例2)光纤固化过程图。
图5为本发明实时光纤制备方案的一种实施例(实施例3)不同夹层间距下光纤实验图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明
本发明公开了一种实时光纤制备的装置及方法，该装置包括：激光器1、电子快门2、光阑3、激光反射镜4、聚焦物镜5、铌酸锂芯片7、玻璃衬底8按顺序形成激光聚焦光路；背景光源6、观测物镜9、滤光片10、CCD相机11按顺序形成实时观测光路。
本发明公开了一种实时光纤制备的装置及方法，该方法的操作步骤为：将待喷射的微液滴置于铌酸锂芯片7上，然后调节聚焦物镜位置将入射激光准确的聚焦在微液滴中心，利用 CCD相机捕获清晰的物象；调节激光器功率和夹层之间的间距，打开电子快门，激光经激光反射镜反射进入聚焦物镜并聚焦于铌酸锂芯片上，从而产生空间电场，聚丙烯酸酯微液滴在非均匀电场的作用下进行喷射，此刻打开紫外(365nm)背景光源，对该微液滴喷射形成的尾迹进行快速光固化，得到了不同宽高比的光学纤维。
如上所述的激光器1，若要有效进行微液滴喷射，要求激光器1发出的激光照射在铌酸锂芯片上能有效地激发出载流子，故其波长为532nm，其功率应介于5～100mW；紫外景光源波长应小于405nm；聚焦物镜5放大倍率介于10～30倍；观测物镜9的放大倍率介于3～4倍。
综合上述并考虑元件的成本以及喷射效果，各参数的优选范围是：激光器波长为532nm，背景光源7选用波长为365nm的紫外背景光；聚焦物镜放大倍率为25倍。
观测物镜9的放大倍率介于3～4倍，为保证光的正确传播和测量精度，光路上所有光学元件和电子器件均固定在刚性连接架上。
本发明方案的工作原理：激光辐照铌酸锂芯片，在其表面产生空间电场，调整铌酸锂芯片与玻璃衬底间的间距，达到合适间距时，铌酸锂表面产生的空间电场使聚丙烯酸酯微液滴产生喷射，此时打开紫外(365nm)背景光源，液滴喷射形成的尾迹在紫外光的照射下迅速交联固化，借助这种“冻结”流体界面演化的方法，得到了微米级的光学纤维。此外，通过调节激光功率和夹层间距可得到不同宽高比的光学纤维。
下面给出本发明在夹层结构中得到微米光纤的具体实施例，具体实施例仅用于详细说明本发明，并不限制本申请权利要求的保护范围。
实施例1
使用532nm激光器，激光功率为28.3mW，背景光源选用卤素灯，聚焦物镜放大倍数为 25倍，将待喷射的聚丙烯酸酯微液滴置于铌酸锂芯片上，铌酸锂芯片和玻璃衬底间的间距为 500μm，打开电子快门，在电场的作用下微液滴朝玻璃衬底进行了定向喷射。
实施例2
使用532nm激光器，激光功率为28.3mW，背景光源选用紫外(365nm)背景光，聚焦物镜放大倍数为25倍，将待喷射的聚丙烯酸酯微液滴置于铌酸锂芯片上，铌酸锂芯片和玻璃衬底间的间距为700μm，打开电子快门，微液滴开始定向喷射至玻璃衬底，此时打开紫外背景光对尾迹进行固化。
实施例3
使用532nm激光器，激光功率为28.3mW，背景光源选用卤素灯，聚焦物镜放大倍数为 25倍，在不同夹层间距下得到的光学纤维，该纤维均匀性良好，且具有不同的宽高比。
以上所述具体实例对本发明的技术方案、实施办法做了进一步的详细说明，应理解的是，以上实例并不仅用于本发明，凡是在本发明的精神和原则之内进行的同等修改、等效替换、改进等均应该在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种实时光纤制备的装置，其特征在于：激光器1、电子快门2、光阑3、激光反射镜4、聚焦物镜5、铌酸锂芯片7、玻璃衬底8按顺序形成激光器聚焦光路；背景光源6、观测物镜9、滤光片10、CCD相机11按顺序形成实时观测光路。
2.一种实时光纤制备的方法，其特征在于：以铌酸锂衬底为液滴储存器，铌酸锂芯片和玻璃衬底形成空间夹层，光敏液滴(聚丙烯酸酯)在激光的辐照下进行喷射，此时可利用紫外(365nm)背景光对液滴喷射过程中形成的尾迹进行实时固化，进而得到尺寸均匀的光学纤维。
3.根据权利要求2所述的一种实时光纤制备的方法，其特征在于：通过调节激光功率和夹层间距大小，可高效的形成不同宽高比的光学纤维。
4.根据权利要求2所述的一种实时光纤制备的方法，其特征在于：对聚丙烯酸酯微液滴喷射形成的尾迹进行实时固化，避免了外界环境对纤维形成时产生的扰动，增强了光纤结构的稳定性。
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