專利名稱：一種高非線性復合結構微納光波導線及其制備方法
技術領域：
本發明涉及LB鍍膜和微納光學技術領域，具體涉及一種基于LB鍍膜的復合結構亞波長直徑微納光波導線。
背景技術：
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，沿水平方向對水面施加壓力，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膜技術就是將上述的氣/液界面上的單分子膜轉移到固體表面并 實現連續轉移組裝的技術。LB膜具有膜厚可準確控制，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，因此可實現在分子水平上的組裝，在材料學、光學、 電化學和生物仿生學等領域都具有廣泛的應用前景。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、光學以及傳感器等方面。嗜鹽菌紫膜則是一種優良的非線性光學 (NLO)材料，作為一種典型的光敏細胞膜，其中起非線性作用的是一種蛋白質——細菌視紫 紅質分子(bacteriorhodopsin，BR)。BR在功能和結構上與動物視網膜上的感光元——視 紫紅質分子十分相似，對光照十分敏感，當BR吸收光子之后會驅動質子作跨膜運動，自身 經歷一系列中間態返回原始態而完成一個光循環，因此在光信息處理和光計算技術中有著 十分重要的應用前景。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 線，表面粗糙度可以低至原子量級，直徑非常均勻，光傳輸損耗遠遠小于其他類型的亞波長 尺度光波導，可表現出強光場約束、大比例倏逝波、高非線性等特性，在微納光子器件、光子 傳感、非線性光學和原子波導等方面具有潛在的應用價值。由于現有報道中，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 光學系統的融合上都存在局限性。

發明內容
本發明所要解決的問題是如何提供一種高非線性復合結構維納光波導線及其制 備方法，這種維納光波導線在脈沖壓縮、波長變換、生物光開關、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用潛力。本發明所提出的技術問題是這樣解決的提供一種高非線性復合結構微納光波導 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連接標準光纖，用于連接各種光學儀器。一種高非線性復合結構微納光波導線的制備方法，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/液界面表面連續轉移到二氧化硅微光纖的表面，構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連接標準光纖，用于連接各 種光學儀器。本發明的有益效果本發明利用直徑為1微米的二氧化硅微光纖作為基底，通過 LB鍍膜技術在微納光波導線表面上沉積一層嗜鹽菌紫膜的薄膜，厚度為5個納米。光在微 納光波導線中以大比列的倏逝波形式傳輸，在其表面傳輸的倏逝波與嗜鹽菌紫膜分子相互 作用，可以產生極高的光學非線性效應。與普通石英光纖以及普通的微光纖相比，此種高非 線性復合結構光納米線具有更高的光學非線性效應，在脈沖壓縮、波長變換、生物光開關、 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用潛力。本發明首次提出將LB鍍膜技術與亞波長直徑的微納光波導線相結合，嗜鹽菌紫 膜優良的光學非線性效應與微光纖同樣優良的光學非線性特性通過LB鍍膜方式相結合， 獲得一種高非線性復合結構的微納光波導線，該波導線的非線性的光學特性將得到很大的 提升。這種高非線性的復合結構微納光波導線在脈沖壓縮、波長變換、生物光開關、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用潛力。


圖1是高非線性復合結構微納光波導線的結構簡圖；圖2是高非線性復合結構微納光波導線的LB成膜原理簡圖；圖3是微納光波導線LB鍍膜過程示意4是高非線性復合結構微納光波導線的鍍膜裝置簡圖；圖5是復合結構微納光波導線的光學非線性效應簡圖；其中，1、標準光纖，2、嗜鹽菌紫膜涂敷層，3、標準光纖，4、二氧化硅微光纖，5、錐形 過渡區，6、嗜鹽菌單分子層，7、柵，8、亞相，9、光譜儀或示波器，10、微納光波導線，11、鍍膜 機壁，12、光纖夾具，13、LB膜單分子層及去離子水。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步描述如圖1所示，此種高非線性復合結構微納光波導線的參數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線的表面，鍍膜次 數為100次，即在微納光波導線表面沉積100層嗜鹽菌紫膜單分子膜，厚度為500納米，此 段結構的長度應不小于30毫米。該高非線性復合結構微納光波導線兩端通過二氧化硅微 納光波導線的錐形過渡區5連接標準光纖1和3，用于與各種光學儀器相連。高線性復合結構微納光波導線的制備原理如圖2所示在一定的壓力之下，亞相 表面的嗜鹽菌紫膜分子構成緊密排列的單分子膜6，微納光波導線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/液界面表面連續轉移到微納光波導線的表面，構成 了一層單分子嗜鹽菌紫膜LB膜。如圖3和圖4所示，制備系統結構包括標準光纖1，二氧化硅微光纖4、錐形過渡
4區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 納光波導線10、鍍膜機臂(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候都會從氣/液表面轉移一層紫膜到微納光 波導線表面。設置軟件參數，重復100次，即可獲得此種高非線性復合結構微納光波導線。該復合結構微納光波導線的制備參數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，擴散一個小時，形成嗜鹽菌紫膜單分子層6。二氧化硅微納光波 導線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線。將拉制好的微納光波導線放置到LB鍍膜系 統的光纖夾具12上。設置膜壓恒定在40mN，提拉速度為5mm/min，鍍膜次數為100次。實施例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線，微納 光波導線通過光纖錐形過渡區與標準單模光纖連接，將光纖放置于LB鍍膜機光纖夾具上。 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1小時 后，控制亞相溫度穩定在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，故而在微納光波導線每次穿過 液面的時候都會從氣/液表面轉移一層紫膜到微納光波導線表面。設置軟件參數，重復100 次，即可獲得此種高非線性復合結構微納光波導線。圖5是復合結構微納光波導線的光學 非線性效應簡圖上述具體實施方法用來解釋說明本發明裝置，而不是對本發明進行限制，在本發 明的精神和權利說明書的保護范圍內，對本發明的任何改變與變動，都落入本發明的保護 范圍。
權利要求
一種高非線性復合結構微納光波導線，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連接標準光纖，用于連接各種光學儀器。
2.一種高非線性復合結構微納光波導線的制備方法，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/液界面表面連續轉移到二氧化硅微光纖的表 面，構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連接標準光纖，用于連接各種光 學儀器。
全文摘要
本發明公開了一種高非線性復合結構微納光波導線，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連接標準光纖，用于連接各種光學儀器。該高非線性復合結構微納光波導線是一種基于亞波長直徑的二氧化硅微納光波導線與嗜鹽菌紫膜材料鍍膜相結合，具有大比例的倏逝波傳輸以及極高的光學非線性特性。
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 優先權日2010年4月2日
發明者吳宇, 陳一槐, 饒云江 申請人:電子科技大學