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一種高非線性復(fù)合結(jié)構(gòu)微納光波導(dǎo)線及其制備方法

文檔序號:2753416閱讀:198來源:國知局
專利名稱:一種高非線性復(fù)合結(jié)構(gòu)微納光波導(dǎo)線及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及LB鍍膜和微納光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種基于LB鍍膜的復(fù)合結(jié)構(gòu)亞波長直徑微納光波導(dǎo)線。
背景技術(shù)
Langmuir-Blogeet膜,簡稱LB膜,它是將具有親水頭和疏水尾的兩親分子分散在 水面(亞相)上,沿水平方向?qū)λ媸┘訅毫?,使分子在水面上緊密排列,形成一層排列有 序的不溶性單分子膜。LB膜技術(shù)就是將上述的氣/液界面上的單分子膜轉(zhuǎn)移到固體表面并 實(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)移組裝的技術(shù)。LB膜具有膜厚可準(zhǔn)確控制,制膜過程不需要很高的條件,簡單 易操作,膜中分子排列高度有序等特點(diǎn),因此可實(shí)現(xiàn)在分子水平上的組裝,在材料學(xué)、光學(xué)、 電化學(xué)和生物仿生學(xué)等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景。近年來已開展了眾多研究,涉及生物 膜仿生模擬、超薄膜制備、光學(xué)以及傳感器等方面。嗜鹽菌紫膜則是一種優(yōu)良的非線性光學(xué) (NLO)材料,作為一種典型的光敏細(xì)胞膜,其中起非線性作用的是一種蛋白質(zhì)——細(xì)菌視紫 紅質(zhì)分子(bacteriorhodopsin,BR)。BR在功能和結(jié)構(gòu)上與動物視網(wǎng)膜上的感光元——視 紫紅質(zhì)分子十分相似,對光照十分敏感,當(dāng)BR吸收光子之后會驅(qū)動質(zhì)子作跨膜運(yùn)動,自身 經(jīng)歷一系列中間態(tài)返回原始態(tài)而完成一個(gè)光循環(huán),因此在光信息處理和光計(jì)算技術(shù)中有著 十分重要的應(yīng)用前景。通過高溫拉伸法從普通單模光纖拉制出的亞波長直徑微納光波導(dǎo) 線,表面粗糙度可以低至原子量級,直徑非常均勻,光傳輸損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他類型的亞波長 尺度光波導(dǎo),可表現(xiàn)出強(qiáng)光場約束、大比例倏逝波、高非線性等特性,在微納光子器件、光子 傳感、非線性光學(xué)和原子波導(dǎo)等方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。由于現(xiàn)有報(bào)道中,LB鍍膜工藝都是在玻璃基片上完成,因此在基片尺寸、形狀和與 光學(xué)系統(tǒng)的融合上都存在局限性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題是如何提供一種高非線性復(fù)合結(jié)構(gòu)維納光波導(dǎo)線及其制 備方法,這種維納光波導(dǎo)線在脈沖壓縮、波長變換、生物光開關(guān)、光存儲、光子傳感以及各種 微納光子器件和生物光子器件的研究中有著巨大的應(yīng)用潛力。本發(fā)明所提出的技術(shù)問題是這樣解決的提供一種高非線性復(fù)合結(jié)構(gòu)微納光波導(dǎo) 線,其特征在于,包括二氧化硅微光纖,其長度等于或大于30毫米,直徑為0. 4 8微米,表 面通過LB鍍膜技術(shù)沉積有1 100層嗜鹽菌紫膜,每層嗜鹽菌紫膜厚度為5 20納米;所 述二氧化硅微光纖的兩端通過錐形過渡區(qū)連接標(biāo)準(zhǔn)光纖,用于連接各種光學(xué)儀器。一種高非線性復(fù)合結(jié)構(gòu)微納光波導(dǎo)線的制備方法,其特征在于,包括一下步驟①利用直徑為0. 4 8微米、長度等于或者大于30毫米的二氧化硅微光纖作為基 底,放置于亞相中;②使亞相表面的嗜鹽菌紫膜分子構(gòu)成緊密排列的單分子膜,將二氧化硅微光纖從 亞相液面沿垂直方向提出,在膜壓的作用下,氣/液界面表面連續(xù)轉(zhuǎn)移到二氧化硅微光纖的表面,構(gòu)成一層單分子嗜鹽菌紫膜LB膜,控制二氧化硅微光纖的提出速度使嗜鹽菌紫膜 LB厚度為5 20納米;③重復(fù)步驟②(N-1)次得到N層嗜鹽菌紫膜,其中1彡N彡100 ;④將步驟③所得到的二氧化硅微光纖通過錐形過渡區(qū)連接標(biāo)準(zhǔn)光纖,用于連接各 種光學(xué)儀器。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明利用直徑為1微米的二氧化硅微光纖作為基底,通過 LB鍍膜技術(shù)在微納光波導(dǎo)線表面上沉積一層嗜鹽菌紫膜的薄膜,厚度為5個(gè)納米。光在微 納光波導(dǎo)線中以大比列的倏逝波形式傳輸,在其表面?zhèn)鬏數(shù)馁渴挪ㄅc嗜鹽菌紫膜分子相互 作用,可以產(chǎn)生極高的光學(xué)非線性效應(yīng)。與普通石英光纖以及普通的微光纖相比,此種高非 線性復(fù)合結(jié)構(gòu)光納米線具有更高的光學(xué)非線性效應(yīng),在脈沖壓縮、波長變換、生物光開關(guān)、 光存儲、光子傳感以及各種微納光子器件和生物光子器件的研究中有著較大的應(yīng)用潛力。本發(fā)明首次提出將LB鍍膜技術(shù)與亞波長直徑的微納光波導(dǎo)線相結(jié)合,嗜鹽菌紫 膜優(yōu)良的光學(xué)非線性效應(yīng)與微光纖同樣優(yōu)良的光學(xué)非線性特性通過LB鍍膜方式相結(jié)合, 獲得一種高非線性復(fù)合結(jié)構(gòu)的微納光波導(dǎo)線,該波導(dǎo)線的非線性的光學(xué)特性將得到很大的 提升。這種高非線性的復(fù)合結(jié)構(gòu)微納光波導(dǎo)線在脈沖壓縮、波長變換、生物光開關(guān)、光存儲、 光子傳感以及各種微納光子器件和微納光電子器件的研究中有著巨大的應(yīng)用潛力。


圖1是高非線性復(fù)合結(jié)構(gòu)微納光波導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)簡圖;圖2是高非線性復(fù)合結(jié)構(gòu)微納光波導(dǎo)線的LB成膜原理簡圖;圖3是微納光波導(dǎo)線LB鍍膜過程示意4是高非線性復(fù)合結(jié)構(gòu)微納光波導(dǎo)線的鍍膜裝置簡圖;圖5是復(fù)合結(jié)構(gòu)微納光波導(dǎo)線的光學(xué)非線性效應(yīng)簡圖;其中,1、標(biāo)準(zhǔn)光纖,2、嗜鹽菌紫膜涂敷層,3、標(biāo)準(zhǔn)光纖,4、二氧化硅微光纖,5、錐形 過渡區(qū),6、嗜鹽菌單分子層,7、柵,8、亞相,9、光譜儀或示波器,10、微納光波導(dǎo)線,11、鍍膜 機(jī)壁,12、光纖夾具,13、LB膜單分子層及去離子水。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述如圖1所示,此種高非線性復(fù)合結(jié)構(gòu)微納光波導(dǎo)線的參數(shù)如下包括二氧化硅微 光纖4和嗜鹽菌紫膜涂敷層2,將嗜鹽菌紫膜單分子膜沉積在微納光波導(dǎo)線的表面,鍍膜次 數(shù)為100次,即在微納光波導(dǎo)線表面沉積100層嗜鹽菌紫膜單分子膜,厚度為500納米,此 段結(jié)構(gòu)的長度應(yīng)不小于30毫米。該高非線性復(fù)合結(jié)構(gòu)微納光波導(dǎo)線兩端通過二氧化硅微 納光波導(dǎo)線的錐形過渡區(qū)5連接標(biāo)準(zhǔn)光纖1和3,用于與各種光學(xué)儀器相連。高線性復(fù)合結(jié)構(gòu)微納光波導(dǎo)線的制備原理如圖2所示在一定的壓力之下,亞相 表面的嗜鹽菌紫膜分子構(gòu)成緊密排列的單分子膜6,微納光波導(dǎo)線10以一定的速度從液面 沿垂直方向提出,在膜壓的作用下,氣/液界面表面連續(xù)轉(zhuǎn)移到微納光波導(dǎo)線的表面,構(gòu)成 了一層單分子嗜鹽菌紫膜LB膜。如圖3和圖4所示,制備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括標(biāo)準(zhǔn)光纖1,二氧化硅微光纖4、錐形過渡
4區(qū)5、嗜鹽菌紫膜單分子層6、控制膜壓的柵(barrier) 7、去離子水(亞相)8、LB鍍膜槽9、微 納光波導(dǎo)線10、鍍膜機(jī)臂(holder) 11、光纖夾具12、LB膜單分子層及去離子水(亞相)13。 制備的基本過程為,微光纖以一定速度沿垂直方向運(yùn)動,由于維持了嗜鹽菌紫膜單分子層 的膜壓恒定,故而在微光纖每次穿過液面的時(shí)候都會從氣/液表面轉(zhuǎn)移一層紫膜到微納光 波導(dǎo)線表面。設(shè)置軟件參數(shù),重復(fù)100次,即可獲得此種高非線性復(fù)合結(jié)構(gòu)微納光波導(dǎo)線。該復(fù)合結(jié)構(gòu)微納光波導(dǎo)線的制備參數(shù)如下鍍膜過程中所用亞相為二次去離子水 8,電阻率為18. 25MQ/cm,溫度恒定在20攝氏度。將配置好的0. 5mg/ml的紫膜二甲基甲酰 胺溶液逐滴滴到亞相表面,擴(kuò)散一個(gè)小時(shí),形成嗜鹽菌紫膜單分子層6。二氧化硅微納光波 導(dǎo)線1是通過酒精燈加熱軟化普通單模光纖,然后緩慢拉制出的直徑為1. 3微米具有較高 的直徑均勻性和表面粗糙度的微納光波導(dǎo)線。將拉制好的微納光波導(dǎo)線放置到LB鍍膜系 統(tǒng)的光纖夾具12上。設(shè)置膜壓恒定在40mN,提拉速度為5mm/min,鍍膜次數(shù)為100次。實(shí)施例1利用一步高溫拉制法制作出直徑1微米,表面均勻性良好的微納光波導(dǎo)線,微納 光波導(dǎo)線通過光纖錐形過渡區(qū)與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖連接,將光纖放置于LB鍍膜機(jī)光纖夾具上。 將0. 05mg/ml的紫膜二甲基甲酰胺溶液鋪展在亞相(二次去離子水)表面,待揮發(fā)1小時(shí) 后,控制亞相溫度穩(wěn)定在20°C,即可開始鍍膜。制備的基本過程為,微光纖以一定速度沿垂 直方向運(yùn)動,由于維持了嗜鹽菌紫膜單分子層的膜壓恒定,故而在微納光波導(dǎo)線每次穿過 液面的時(shí)候都會從氣/液表面轉(zhuǎn)移一層紫膜到微納光波導(dǎo)線表面。設(shè)置軟件參數(shù),重復(fù)100 次,即可獲得此種高非線性復(fù)合結(jié)構(gòu)微納光波導(dǎo)線。圖5是復(fù)合結(jié)構(gòu)微納光波導(dǎo)線的光學(xué) 非線性效應(yīng)簡圖上述具體實(shí)施方法用來解釋說明本發(fā)明裝置,而不是對本發(fā)明進(jìn)行限制,在本發(fā) 明的精神和權(quán)利說明書的保護(hù)范圍內(nèi),對本發(fā)明的任何改變與變動,都落入本發(fā)明的保護(hù) 范圍。
權(quán)利要求
一種高非線性復(fù)合結(jié)構(gòu)微納光波導(dǎo)線,其特征在于,包括二氧化硅微光纖,其長度等于或大于30毫米,直徑為0.4~8微米,表面通過LB鍍膜技術(shù)沉積有1~100層嗜鹽菌紫膜,每層嗜鹽菌紫膜厚度為5~20納米;所述二氧化硅微光纖的兩端通過錐形過渡區(qū)連接標(biāo)準(zhǔn)光纖,用于連接各種光學(xué)儀器。
2.一種高非線性復(fù)合結(jié)構(gòu)微納光波導(dǎo)線的制備方法,其特征在于,包括一下步驟①利用直徑為0.4 8微米、長度等于或者大于30毫米的二氧化硅微光纖作為基底, 放置于亞相中;②使亞相表面的嗜鹽菌紫膜分子構(gòu)成緊密排列的單分子膜,將二氧化硅微光纖從亞相 液面沿垂直方向提出,在膜壓的作用下,氣/液界面表面連續(xù)轉(zhuǎn)移到二氧化硅微光纖的表 面,構(gòu)成一層單分子嗜鹽菌紫膜LB膜,控制二氧化硅微光纖的提出速度使嗜鹽菌紫膜LB厚 度為5 20納米;③重復(fù)步驟②(N-I)次得到N層嗜鹽菌紫膜,其中1彡N彡100;④將步驟③所得到的二氧化硅微光纖通過錐形過渡區(qū)連接標(biāo)準(zhǔn)光纖,用于連接各種光 學(xué)儀器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高非線性復(fù)合結(jié)構(gòu)微納光波導(dǎo)線,其特征在于,包括二氧化硅微光纖,其長度等于或大于30毫米,直徑為0.4~8微米,表面通過LB鍍膜技術(shù)沉積有1~100層嗜鹽菌紫膜,每層嗜鹽菌紫膜厚度為5~20納米;所述二氧化硅微光纖的兩端通過錐形過渡區(qū)連接標(biāo)準(zhǔn)光纖,用于連接各種光學(xué)儀器。該高非線性復(fù)合結(jié)構(gòu)微納光波導(dǎo)線是一種基于亞波長直徑的二氧化硅微納光波導(dǎo)線與嗜鹽菌紫膜材料鍍膜相結(jié)合,具有大比例的倏逝波傳輸以及極高的光學(xué)非線性特性。
文檔編號G02B6/132GK101825744SQ201010138270
公開日2010年9月8日 申請日期2010年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月2日
發(fā)明者吳宇, 陳一槐, 饒?jiān)平?申請人:電子科技大學(xué)
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