一種基於可調控膠體光子晶體的微型光譜儀及其製備方法
2023-08-07 21:01:11
專利名稱：一種基於可調控膠體光子晶體的微型光譜儀及其製備方法
技術領域：
本發明涉及動態微型光譜儀領域，特別是涉及一種基於可調控膠體光子晶體的微型光譜儀及其製備方法。
背景技術：
光譜儀是將成分複雜的光分解為光譜線的科學儀器，由稜鏡或衍射光柵等構成，利用光譜儀可測量物體表面反射的光線。光譜儀有多種類型，除在可見光波段使用的光譜儀外，還有紅外光譜儀和紫外光譜儀。按色散元件的不同可分為稜鏡光譜儀、光柵光譜儀和幹涉光譜儀等。按探測方法分，有直接用眼觀察的分光鏡，用感光片記錄的攝譜儀，以及用光電或熱電元件探測光譜的分光光度計等。光子晶體是由不同折射率的介質周期性排列而成的人工微結構。從材料結構上看，光子晶體是一類在光學尺度上具有周期性介電結構的人工設計和製造的晶體。與半導體晶格對電子波函數的調製相類似，光子帶隙材料能夠調製具有相應波長的電磁波。當電磁波在光子帶隙材料中傳播時，由於存在布拉格散射而受到調製，電磁波能量形成能帶結構。能帶與能帶之間出現光子帶隙。所具能量處在光子帶隙內的光子，不能進入該晶體。利用外界條件(電場、磁場、壓力、溫度、溼度等)調製光子晶體的光子禁帶，在光譜範圍內形成連續變化。在此基礎上，對未知波長的待測光進行波長篩選，達到光譜儀的檢測效果。
發明內容
本發明主要解決的技術問題是提供一種基於可調控膠體光子晶體的微型光譜儀，解決了現有光譜儀成本昂貴，結構複雜，不易於微型化等缺點。為解決上述技術問題，本發明採用的一個技術方案是:提供一種基於可調控膠體光子晶體的微型光譜儀，所述微型光譜儀包括入射光連接器、波長選擇單元和探測器，所述波長選擇單元包括可調控膠體光子晶體和導光棒，所述可調控膠體光子晶體在導光棒外壁形成環狀包層。在本發明一個較佳實施例中，所述可調控膠體光子晶體選自二氧化矽、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、二氧化鈦、氧化鐵、四氧化三鐵、金、銀中的一種或多種。在本發明一個較佳實施例中，所述可調控膠體光子晶體分散於水、氮氮二甲基甲醯胺、丙烯碳酸酯、矽油、硝基苯、二苯醚、二甲基亞碸中的一種或者多種混合溶劑中，形成膠體粒子溶液。在本發明一個較佳實施例中，所述可調控膠體光子晶體粒子的粒徑在10納米到500納米之間。在本發明一個較佳實施例中，所述導光棒選自石英棒、玻璃棒、有機玻璃棒或階躍型光纖芯層，其芯徑在10微米到2毫米之間。在本發明一個較佳實施例中，所述膠體粒子溶液的濃度在1%_80%。
為解決上述技術問題，本發明採用的另一個技術方案是:提供一種製備基於可調控膠體光子晶體的微型光譜儀的方法，包括以下步驟:
首先，微型光譜儀的硬體準備:
將入射光連接器，探測器分別連接到導光棒的兩端，導光棒外側的波長選擇單元區域添加膠體光子晶體溶液的容納裝置；
其次，膠體光子晶體溶液的配製:
選擇符合要求的膠體光子晶體粒子配置濃度為1%_80%的膠體溶液，將配置好的溶液注入容納裝置中；
再次，微型光譜儀波長選擇單元的控制:
根據所使用的膠體光子晶體粒子的性質，選擇合適的外場對膠體光子晶體在溶液中的晶格距離進行調控，進而從全波段的光譜中篩選出和光子晶體溶液禁帶一致的光譜。在本發明一個較佳實施例中，所述外場包括電場、磁場、壓力、溫度、溼度。在本發明一個較佳實施例中，所述光譜篩選範圍為260納米到2微米。有益效果是:本發明的利用可調控膠體光子晶體的微型光譜儀與現有光譜儀相t匕，具有體積小、功耗低、靈敏度高、成本低、可批量大規模生產等優勢，尤其與光纖結合，適用於微細條件下的光譜檢測和調製。
圖1是本發明可調控膠體光子晶體的微型光譜儀機構示意 附圖中各部件的標記如下:1、入射光連接器；2、波長選擇單元；3、探測器；4、導光棒；
5、可調控膠體光子晶體。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的較佳實施例進行詳細闡述，以使本發明的優點和特徵能更易於被本領域技術人員理解，從而對本發明的保護範圍做出更為清楚明確的界定。請參閱圖1，本發明實施例提供如下技術方案是
在一個實施例中，一種基於可調控膠體光子晶體的微型光譜儀，所述微型光譜儀包括入射光連接器1、波長選擇單元2和探測器3，所述波長選擇單元2包括可調控膠體光子晶體和導光棒4，所述可調控膠體光子晶體在導光棒4外壁形成環狀包層。優選的，所述可調控膠體光子晶體選自二氧化矽、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、二氧化鈦、氧化鐵、四氧化三鐵、金、銀中的一種或多種。優選的，所述可調控膠體光子晶體分散於水、氮氮二甲基甲醯胺、丙烯碳酸酯、矽油、硝基苯、二苯醚、二甲基亞碸中的一種或者多種混合溶劑中，形成膠體粒子溶液。優選的，所述可調控膠體光子晶體粒子的粒徑在10納米到500納米之間。優選的，所述導光棒4選自石英棒、玻璃棒、有機玻璃棒或階躍型光纖芯層,其芯徑在10微米到2毫米之間。優選的，所述膠體粒子溶液的濃度在1%_80%。為解決上述技術問題，本發明採用的另一個技術方案是:提供一種製備基於可調控膠體光子晶體的微型光譜儀的方法，包括以下步驟:首先，微型光譜儀的硬體準備:
將入射光連接器1，探測器3分別連接到導光棒4的兩端，導光棒4外側的波長選擇單元2區域添加膠體光子晶體溶液的容納裝置；
其次，膠體光子晶體溶液的配製:
選擇符合要求的膠體光子晶體粒子配置濃度為1%_80%的膠體溶液，將配置好的溶液注入容納裝置中；
再次，微型光譜儀波長選擇單元2的控制:
根據所使用的膠體光子晶體粒子的性質，選擇合適的外場對膠體光子晶體在溶液中的晶格距離進行調控，進而從全波段的光譜中篩選出和光子晶體溶液禁帶一致的光譜。優選的，所述外場包括電場、磁場、壓力、溫度、溼度。優選的，所述光譜篩選範圍為260納米到2微米。基於膠體光子晶體實現可調控動態波長選擇，以折射率均勻分布的導光棒4為內
以下結合具體實施例對上述方案做進一步說明。應理解，這些實施例是用於說明本發明而不限於限制本發明的範圍。實施例中採用的實施條件可以根據具體廠家的條件做進一步調整，未註明的實施條件通常為常規實驗中的條件。
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實施例1基於磁場響應光子晶體的微型光譜儀
(1)微型光譜儀的硬體準備:
選擇芯徑I毫米的石英棒作為導光棒4，將入射光連接器1、探測器3分別連接到石英棒的兩端，石英棒外側環繞聚乙烯塑料管(芯徑5毫米)作為膠體光子晶體溶液的容納裝置(長度為2釐米)；
(2)膠體光子晶體溶液的配製:
將製備好的四氧化三鐵/聚苯乙烯複合超順磁性納米粒子(粒徑為138納米)分散在超純水中，逐步改變濃度，使其在磁場調控下光子禁帶變化範圍能夠覆蓋400納米至800納米。將配置完成的磁性納米粒子溶液注入步驟(I)中容納裝置中。( 3 )微型光譜儀波長選擇單元2的控制:
通過改變外加磁場強度控制波長選擇單元2中四氧化三鐵/聚苯乙烯複合超順磁性納米粒子形成的有序結構，記錄其光子禁帶的位置與磁場強度大小的關係。實施例2基於磁場響應光子晶體的微型光譜儀
(1)微型光譜儀的硬體準備:
選擇芯徑為62.5/125毫米的多模光纖作為導光棒4,利用濃度4%的氫氟酸將波長選擇單元2的光纖包層腐蝕去除，將入射光連接器1、探測器3分別連接到光纖的兩端，光纖外側環繞聚乙烯塑料管(芯徑I毫米)作為膠體光子晶體溶液5的容納裝置(長度2釐米)；
(2)膠體光子晶體溶液的配製:
將製備好的四氧化三鐵/聚苯乙烯複合超順磁性納米粒子(粒徑為300納米)分散在超純水中，逐步改變濃度，使其在磁場調控下光子禁帶變化範圍能夠覆蓋700納米至1600納米。將配置完成的磁性納米粒子溶液注入步驟(I)中容納裝置中。 (3)微型光譜儀波長選擇單元2的控制:
通過改變外加磁場強度控制波長選擇單元2中四氧化三鐵/聚苯乙烯複合超順磁性納米粒子形成的有序結構，記錄其光子禁帶的位置與磁場強度大小的關係。實施例3基於電場響應光子晶體的微型光譜儀
(1)微型光譜儀的硬體準備:
選擇芯徑I毫米的石英棒作為導光棒4，將入射光連接器1、探測器3分別連接到石英棒的兩端，石英棒外側環繞聚乙烯塑料管(芯徑5毫米)作為膠體光子晶體溶液的容納裝置(長度為2釐米)；
(2)膠體光子晶體溶液的配製:
將製備好的四氧化三鐵/ 二氧化矽複合納米粒子(粒徑為150納米)分散在丙烯碳酸酯中，質量體積分數為25%，使其在電場調控下光子禁帶變化範圍能夠覆蓋400納米至800納米。將配置完成的納米粒子溶液注入步驟(I)中容納裝置中。( 3 )微型光譜儀波長選擇單元2的控制:
通過改變外加電場的電壓控制波長選擇單元2中四氧化三鐵/二氧化矽複合納米粒子形成的有序結構，記錄其光子禁帶的位置與電壓大小的關係。本發明本發明基於可調控膠體光子晶體作為光譜儀的動態波長選擇單元，光譜儀可以直接接入光路中，因此降低了光譜儀製造成本，簡化了光路設計，實現了系統的微型化，也有助於微型系統中光譜儀的使用。使得本發明的微型光譜儀具有體積小、功耗低、靈敏度高、成本低、可批量大規模生產等優勢。以上所述僅為本發明的實施例，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護範圍內。
權利要求
1.一種基於可調控膠體光子晶體的微型光譜儀，其特徵在於，所述微型光譜儀包括入射光連接器(I)、波長選擇單元(2)和探測器(3)，所述波長選擇單元包括可調控膠體光子晶體(5)和導光棒(4)，所述可調控膠體光子晶體(5)在導光棒(4)外壁形成環狀包層。
2.根據權利要求1所述的基於可調控膠體光子晶體的微型光譜儀，其特徵在於，所述可調控膠體光子晶體選自二氧化矽、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、二氧化鈦、氧化鐵、四氧化三鐵、金、銀中的一種或多種。
3.根據權利要求1所述的基於可調控膠體光子晶體的微型光譜儀，其特徵在於，所述可調控膠體光子晶體分散於水、氮氮二甲基甲醯胺、丙烯碳酸酯、矽油、硝基苯、二苯醚、二甲基亞碸中的一種或者多種混合溶劑中，形成膠體粒子溶液。
4.根據權利要求1所述的基於可調控膠體光子晶體的微型光譜儀，其特徵在於，所述可調控膠體光子晶體粒子的粒徑在10納米到500納米之間。
5.根據權利要求1所述的基於可調控膠體光子晶體的微型光譜儀，其特徵在於，所述導光棒選自石英棒、玻璃棒、有機玻璃棒或階躍型光纖芯層，其芯徑在10微米到2毫米之間。
6.根據權利要求3所述的基於可調控膠體光子晶體的微型光譜儀，其特徵在於，所述膠體粒子溶液的濃度在1%_80%。
7.一種製備權利要求1-6任一所述基於可調控膠體光子晶體的微型光譜儀的方法，其特徵在於，包括以下步驟: 首先，微型光譜儀的硬體準備: 將入射光連接器，探測器分別連接到導光棒的兩端，導光棒外側的波長選擇單元區域添加膠體光子晶體溶液的容納裝置； 其次，膠體光子晶體溶液的配製: 選擇符合要求的膠體光子晶體粒子配置濃度為1%_80%的膠體溶液，將配置好的溶液注入容納裝置中； 再次、微型光譜儀波長選擇單元的控制: 根據所使用的膠體光子晶體粒子的性質，選擇合適的外場對膠體光子晶體在溶液中的晶格距離進行調控，進而從全波段的光譜中篩選出和光子晶體溶液禁帶一致的光譜。
8.根據權利要求7所述的製備權利要求1-6任一所述基於可調控膠體光子晶體的微型光譜儀的方法，其特徵在於，所述外場包括電場、磁場、壓力、溫度、溼度。
9.根據權利要求7所述的製備權利要求1-6任一所述基於可調控膠體光子晶體的微型光譜儀的方法，其特徵在於所述光譜篩選範圍為260納米到2微米。
全文摘要
本發明公開了一種基於可調控膠體光子晶體的微型光譜儀，所述微型光譜儀包括入射光連接器、波長選擇單元和探測器，所述波長選擇單元包括可調控膠體光子晶體和導光棒，所述可調控膠體光子晶體在導光棒外壁形成環狀包層。通過上述方式，本發明的可調控膠體光子晶體光譜儀具有體積小、功耗低、靈敏度高、成本低、可批量大規模生產優勢。
文檔編號G01J3/02GK103162827SQ20131005838
公開日2013年6月19日 申請日期2013年2月25日 優先權日2013年2月25日
發明者趙遠錦, 丁海波, 謝卓穎, 顧洪成, 顧忠澤 申請人:東南大學