一种包层型胶体晶体微结构光纤及其制备方法 【技术领域】
本发明涉及一种包层型胶体晶体微结构光纤及其制备方法。
背景技术
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CO2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。
【发明内容】
本发明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。
发明人发现，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。
本发明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35～70℃，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；
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∶H2O＝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。
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×％＜0.2％。
本发明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；
本发明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是本发明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是本发明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是本发明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：1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。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例，对本发明做详细说明。
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∶H2O＝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×％＜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35～70℃，相对湿度为60～80％。(不同胶体材料对应相应地实验条件)
恒温条件下静置10～24小时。
g、再在温度600～1100℃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。