一种包层型胶体晶体微结构光纤及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种包层型胶体晶体微结构光纤，由纤芯、包层和胶体微球层构成，纤芯位于所述包层中心，包层由所述胶体微球层包裹。其制备方法是，由被ＨＦ腐蚀粗化的光纤包层为圆柱曲面型基底，在其外表面涂覆有序胶体晶体，再通过烧结固化封装成包层型胶体晶体微结构光纤。该光纤，具有光子带隙部分增强效应，且包层胶体晶体可以利用其中心带隙波长进行选频，其频带窄，精度高，而且随所处介质变化，可以形成气体探测和波分复用器件。通过在光纤包层涂覆胶体微球层，形成多孔反结构，可以改变增强的光子带隙的中心波长，达到任意选频的目的，同时进一步发展可以形成廉价的生物和环境传感器件、滤波器等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及。
技术介绍
将光子晶体的带隙结构应用于光纤形成了光子晶体光纤(Photonic CrystalFiber， PCF)，又称微结构光纤。采用紫外侧写技术或C02热激技术，可以在PCF中 写制光子晶体光纤光栅。微结构光纤光栅具有丰富的结构和光学特性。改变光纤中的微 孔排列、大小以及占空比，或者将介质载入微孔，均可改变光子晶体光纤及其光栅的光学性 质，极大地改变了光纤传感器的结构和性能。但其制作成本高，与普通光纤的对接使用也存 在很多问题。图1是其基本结构。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题，在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种包层型胶 体晶体微结构光纤及其制备方法。目的在于制作一种方便、廉价，能和现在的通讯光纤直接 匹配的微结构光纤。利用胶体晶体光子带隙波段近乎完全反射，多次耦合包层模进入纤芯 的特性，提供一种具有仅增强光子带隙波段，其他波段散射出去迅速减弱的微结构光纤。同 时，此包层型胶体晶体光纤有望应用于生物和环境传感器，滤波器等。 专利技术人发现，制造光学波段的光子晶体，化学方法显示出更大的优越性，其中利用 胶体颗粒自组装是一种非常简便的方法合成单分散的胶体微球(如二氧化硅或聚苯乙 烯微球)；对微球进行组装，在不同的基底上形成三维有序堆积；烧结以增加样品的机械强 度，同时可以控制颗粒间的孔隙。颗粒组装方法简便易行，材料选择范围宽，球形颗粒易合 成，且尺寸可控，制作成本低。图2是其基本制备流程。 本专利技术包层型胶体晶体微结构光纤，由纤芯、包层和胶体微球层构成，其特征是 纤芯位于所述包层中心，包层由所述胶体微球层包裹。 其制备方法的基本思路是由被HF腐蚀粗化的光纤包层为圆柱曲面型基底，在其 外表面涂覆有序胶体晶体，再通过烧结固化封装成包层型胶体晶体微结构光纤。具体步骤 如下 a、截取一段单模光纤，将中间段处的涂覆层剥除2 4cm，用酒精或丙酮擦洗单模 光纤，将涂覆层清除，形成单模裸光纤，然后再用去离子水在超声波清洗器内进行清洗，完 毕后在氮气流中烘干； b、将烘干后的单模裸光纤垂直插入HF酸缓冲溶液中，对包层表面进行腐蚀粗化， 腐蚀时间为5 10分钟，包层表面腐蚀粗化更利于胶体微球的涂覆和生长；然后用去离子 水在超声波清洗器内进行清洗，完毕后在氮气流中烘干； c、在水浴温度35 7(TC，湿度60 80%的条件下，采用垂直提拉(自组装)法 在腐蚀粗化后的单模裸光纤包层外面涂覆胶体晶体；即将腐蚀粗化好的单模裸光纤垂直 插入胶体微球溶液中，并将单模裸光纤上下竖直运动，其运动速度为1 30微米/秒；3 d、恒温条件下静置干燥10 24小时；(不同胶体材料对应相应的实验条件) e、在温度600 1100条件下烧结固化，然后用热塑套管固定。 所述HF酸缓冲溶液，其组分的质量比为HF : NH4F : H20 = 3 : 7 : 10，朋/可以减缓HF酸的腐蚀速率，使包层腐蚀得均匀平滑。 所述胶体微球溶液胶体材料为PS， PMMA或Silica，质量百分比浓度为2% 8% ; 溶剂成分为水和乙醇，水和乙醇的体积比7 : 3; 胶体微球直径偏差/平均直径X % < 0. 2 % 。 本专利技术包层型胶体晶体微结构光纤的制备方法，在制备方法上克服了以前制备胶 体晶体中微球沉积快，层数不可控的缺点 ①在温度、湿度和真空度恒定的条件下，加强了胶体溶液的对流引导蒸发，提高溶 剂蒸发的速率大于胶体微球的沉降速率，延长胶体微球在弯月面的停留时间及胶体晶体的 结晶过程； ②采用垂直提拉(自组装)的方法，克服了胶体晶体的层数不可控制的缺点，通过 改变提拉速率，胶体晶体的层数和速率成反比关系； 本专利技术包层型胶体晶体微结构光纤，具有光子带隙部分增强效应，且包层胶体晶 体可以利用其中心带隙波长进行选频，其频带窄，精度高，而且随所处介质变化，可以形成 气体探测和波分复用器件。通过在光纤包层涂覆胶体微球层，形成多孔反结构，可以改变增 强的光子带隙的中心波长，达到任意选频的目的，同时进一步发展可以形成廉价的生物和 环境传感器件、滤波器等。附图说明 图1是现有光子晶体光纤结构示意图；a、b、c、d分别为四种不同结构。图2是本专利技术包层型胶体晶体微结构光纤制备装置示意图；2-1 :裸光纤，2-2 :胶体微球溶液，2-3 :水，2-4 :恒温水浴加热，2-5 :玻璃瓶，2-6 :光纤夹持器，2-7 :胶带，2-8 :步进电机。 图3是本专利技术包层型胶体晶体微结构光纤的制备方法过程的示意图；(3-1 :玻璃 瓶，3-2 :胶体微球溶液，3-3 :胶体微球，3-4 :胶体微球溶液半月面，3-5 :微球重力，3-6 :微 球聚合力，3-7:流体剪切力。 图4是本专利技术包层型胶体晶体微结构光纤结构示意图；图4a为截面图，图4b为纵 向剖面图；其中4-1 :胶体微球层，4-2 :包层，4-3 :纤芯。 图5是包层型胶体晶体微结构光纤的透射光谱图；其中l为剥除涂覆层后的光纤 透射光谱；2为包层被腐蚀粗化后的光纤透射光谱；3为包层型胶体晶体微结构光纤透射光 谱。具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本专利技术做详细说明。 a、截取一段20cm左右的普通单模光纤，将中间位置的涂覆层剥除约2 4cm，用酒 精或丙酮擦洗光纤，以保证涂覆层被完全清除，形成单模裸光纤。然后再用去离子水在超声波清洗器内进行清洗，完毕后在氮气流中烘干。 b、配备HF酸缓冲溶液，其组分质量百分比为HF : NH4F : H20 = 3 : 7 : 10，NH4F 可以减缓HF酸的腐蚀速率，使包层腐蚀得均匀平滑。 c、将烘干后的单模裸光纤垂直插入HF酸缓冲溶液中，包层被HF酸腐蚀，腐蚀时间 为5 10分钟，表面腐蚀粗化更利于胶体微球的涂覆和生长。然后再用去离子水在超声波 清洗器内进行清洗，完毕后在氮气流中烘干。 d、配制胶体微球溶液 胶体材料为PS， PMMA或Silica，质量百分比浓度为2% 8% ; 溶剂成分为水和乙醇，水和乙醇的体积比7 : 3; 胶体微球直径偏差/平均直径X % < 0. 2 % 。 e、将腐蚀粗化好的单模裸光纤垂直插入盛有胶体微球溶液的玻璃瓶中，单模裸光 纤的上端固定在夹持器的光纤凹槽中，夹持器由步进电机控制上下竖直运动，速度为1 30微米/秒，采用垂直提拉(自组装)法在腐蚀粗化后的单模裸光纤包层外面涂覆胶体晶 体。整个装置置于干燥箱中，温度为35 7(TC，相对湿度为60 80X。(不同胶体材料对 应相应的实验条件) 恒温条件下静置10 24小时。 g、再在温度600 IIO(TC条件下进行烧结固化，然后用热塑套管固定，形成包层 型胶体晶体微结构光纤。权利要求一种包层型胶体晶体微结构光纤，由纤芯、包层和胶体微球层构成，其特征是纤芯位于所述包层中心，包层由所述胶体微球层包裹。2. —种制备权利要求1所述包层型胶体晶体微结构光纤的制备方法，具体步骤如下a、 截取一段单模光纤，将中间处的涂覆层剥除2 4cm，用酒精或丙酮擦洗单模光纤， 将涂覆层清除，形成单模裸光纤，然后再用去离子水在超声波清洗器内进行清洗，完毕后在 氮气流中烘干；b、 将烘干后的单模裸光纤垂直插入HF酸缓冲溶液中，对包层表面进行腐蚀粗化，腐蚀 时间为5 10分钟；然后用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包层型胶体晶体微结构光纤，由纤芯、包层和胶体微球层构成，其特征是：纤芯位于所述包层中心，包层由所述胶体微球层包裹。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王鸣，郭文华，刘青，夏巍，崔恩营，倪海斌，
申请(专利权)人：南京师范大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]