（光学专业论文）聚合物纳米线扭缠结构的折射率传感器研究.pdf

摘要 聚合物纳米线扭缠结构的折射率传感器研究 摘要 本论文主要涉及一种聚合物纳米线扭缠结构的折射率传感器，论文的主要内 容包括以下几个方面： 【l 】 第一章前言部分介绍了基于微纳光纤的光子器件和基于光纤的折射率传感 器的研究进展。具体包括微纳光纤在光子器件集成方面的应用，以及各种类 型( 环形谐振器，锥形光纤，光纤耦合器，光纤布喇格光栅，长周期光纤光 栅) 的光纤折射率传感器。然后介绍了一步拉制法得到聚合物纳米线，以及 通过倏逝波耦合的方法将光信号导入聚合物纳米线。 【2 】 第二章介绍了折射率传感器的制作方法，具体包括扭缠法制作聚合物p t t 纳米线2 2 耦合分支结构的折射率传感器。 3 】第三章介绍了折射率传感器的特性研究，具体包括折射率传感器的传感过 程，传感机制，对耦合圈数和输入输出分支夹角的可调性，以及对环境的选 择性研究。该折射率传感器由两个输入分支，一个扭缠的耦合区，和两个输 出分支组成。其中扭缠的耦合区作为传感器的传感区，输入输出分支分别 作为探测光的输入输出端。传感器的性能可以通过改变扭缠圈数，或者改 变输入或输出分支夹角加以调节。对圈数和角度的平均可调性分别为1 2 m w 每单位折射率每圈和1 8m w 每单位折射率每5 0 。该传感器对折射率的 最大检测极限可达到1 8 5 1 0 - 7 ，这种结构紧凑，灵敏度高且传感性能可调 的折射率传感器在物理，生物，化学，环境科学，有毒物检测等领域均可发 挥其作用。 【4 】第四章为论文总结。 关键词：折射率传感器，聚合物纳米线，一步拉制法，扭缠结构，倏逝波耦合 a b s t r a c t s t u d yo nr e f r a c t i v ei n d e xs e n s o rw i t hs t r u c t u r e t w i s t e db yp o l y m e rn a n o w i r e s a b s t r a c t t h i st h e s i sm a i n l yc o n c e r na b o u tar e f r a c t i v ei n d e xs e n s o rw i t ht w i s t e ds t r u c t u r e b y p o l y m e rn a n o w i r e s ，a n dt h em a i nc o n t e n t sa r ef o l l o w s ： 【1 】 i nt h ef i r s tc h a p t e r , t h ed e v e l o p m e n t so fm i c r o n a n o f i b e rb a s e dp h o t o n i c s d e v i c e sa n df i b e r - b a s e dr e f r a c t i v ei n d e xs e n s o rh a v eb e e ni n t r o d u c e d m a i n l y i n c l u d i n gt h ea p p l i c a t i o n so ni n t e g r a t e dp h o t o n i c so ft h em i c r o n a n o f i b e r ，a n d v a r i o u sk i n d so ff i b e r - b a s e dr e f r a c t i v ei n d e xs e n s o r , s u c ha sc o i l r e s o n a t o r , f i b e r - o p t i cc o u p l e r , t a p e r e do p t i c a lf i b e r ，af i b e rl o n g p e r i o dg r a t i n g ，a n df i b e r b r a g gg r a t i n g t h e n ，o n e - s t e pd r a w i n gm e t h o dt of a b r i c a t ep o l y m e rn a n o w i r e s a n de v a n e s c e n tc o u p l i n gm e t h o dt ol a u n c ht h el i g h ti n t op o l y m e rn a n o w i r e sa r e i n t r o d u c e d 【2 】t h ef a b r i c a t i n gm e t h o do ft h er e f r a c t i v ei n d e xs e n s o ri si n t r o d u c e di nt h es e c o n d c h a p t e r m a i n l yi n c l u d i n gt h et w i s t e dm e t h o dt of a b r i c a t et h ep o l y m e rn a n o w i r e s i n t o2 2c o u p l i n gs p l i t t e rs t r u c t u r er e f r a c t i v ei n d e xs e n s o r 【3 】t h es e n s i n gp r o p e r t i e so ft h er e f r a c t i v ei n d e xs e n s o ra r ei n t r o d u c e di nt h et h i r d c h a p t e r m a i n l yi n c l u d i n gt h es e n s i n gp r o c e s s ，s e n s i n gm e c h a n i s m ，t u n a b l i t e so n t w i s t e dt u r n sa n db r a n c h i n ga n g l e s ，a n dt h es e l e c t i v i t yo nd i f f e r e n ts o l u t i o n s t h e s e n s o rc o n s i s t so ft w oi n p u tb r a n c h e s ，at w i s t e dc o u p l i n gr e g i o n ，a n dt w o o u t p u t b r a n c h e s t h et w i s t e dc o u p l i n gr e g i o ni su s e da st h es e n s i n ga r e a t h ep r o b e l i g h ti sl a u n c h e di n t ot h es e n s o rw i t ho n eo ft h ei n p u tb r a n c h e s ，a n de x p o r t e d w i t ho n eo ft h eo u t p u tb r a n c h e s t h es e n s i n gp e r f o r m a n c eo ft h es e n s o rc a nb e t u n e db yc h a n g i n gt h et w i s t e dt u r n sa n d o ri n p u t o u t p u tb r a n c h i n ga n g l e s t h e a v e r a g et u n a b i l i t yi s 1 2m w p e rr i up e rt w i s t e dr u ma n d1 8m wp e rr i up e r 5 0b r a n c h i n ga n g l ec h a n g e t h em a x i m u md e t e c t i o nl i m i to nr e f r a c t i v ei n d e x c h a n g ec a nr e a c ht o1 8 5 1 0 - 7 t h i su l t r a c o m p a c t ，h i g h l ys e n s i t i v e ，a n dt u n a b l e r e f r a c t i v ei n d e xs e n s o rw o u l db eu s e di n p h y s i c s ，b i o l o g y , c h e m i s t r y , a b s t r a c t e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e ，a n dt o x i c a n ts e n s i n g t h es u m m a r i z a t i o no ft h et h e s i si si nt h ef o u r t hc h a p t e r k e yw o r d s ：r e f r a c t i v ei n d e xs e n s o r , p o l y m e rn a n o w i r e s ，o n e s t e pd r a w i n gp r o c e s s ， t w i s t i n gs t m c t u r e ，e v a n e s c e n tc o u p l i n g 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： l ， 1 日期：细j 年b 月7 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名： 日期：溯口年6 月7 日 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指导下完成的成果， 该成果属于中山大学物理科学与工程技术学院，受国家知识产权法保护。在学期 间与毕业后以任何形式公开发表论文或申请专利，均须由导师作为通讯联系人， 未经导师的书面许可，本人不得以任何方式，以任何其它单位作全部和局部署名 公布学位论文成果。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： b 月7 旧 第一章前言 1 1 引言 第一章前言弟一早月l j 苗 光在传统的单模光纤中主要以全反射的形式向前传播。随着光纤直径的逐渐 缩小，当光纤的直径小于光的波长时，即所谓的亚波长直径光纤或微纳光纤或纳 米线，光以很强的倏逝波的形式在微纳光纤的表面向前传播。光纤表面的倏逝波 场深度约为所传输的光波长量级。微纳光纤对光场具有很强的约束能力、较低的 传输损耗、强的表面倏逝波场、以及亚波长直径等特性，是一种很有前景的应用 于微纳光子器件集成的物理单元。 在光子器件中，基于光纤的折射率传感器是一类很重要的器件。光学传感器 具有一定的优点，如光波不产生电磁干扰，光信号容易被探测等。而光纤本身不 带电，易弯曲，体积小，重量轻，抗辐射和抗腐蚀性能好等特点，因而光纤折射 率传感器是一种很值得研究的传感器，吸引了很多研究者的研究兴趣。光纤折射 率传感器分为功能型和非功能型两种，对于功能型光纤折射率传感器，光纤不仅 是光传输媒质，而且是敏感元件。而非功能型光纤传感器光纤只作为光信号的传 输媒介，其中描述光的特征参量( 如光强、波长、相位、偏振态等) 在光纤中传 输时受n 步 i - 界环境变化的影响( 如温度、湿度、折射率等) 而发生变化，光纤折 射率传感器就是根据光的这些特征参量与环境参量变化的对应函数关系来检测环 境折射率。 随着高密度集成光子学的发展，对器件微型化提出了更高的要求。基于微纳 光纤光子器件和光纤折射率传感器的研究现状，使用直径为纳米量级的光纤来制 作微型折射率传感器将是一项很有意义的研究工作。目前，对聚合物纳米线的研 究受到较多研究者的重视，使用一步拉制法可以得到机械性能和光学性能良好的 纳米线，通过倏逝波耦合的方法能将光信号高效的导入聚合物纳米线。因而有望 使用聚合物纳米线制作微型折射率传感器。 第一$ 前青 1 2 基于微纳光纤的光子器件研究背景 当前基于微纳光纤的光子器件主要有环形谐振器技其应用器件，光信号耦合 分束器，传感器，以及在三维光子集成方面的应用等。 用微纳光纤制作的光学环形谐振腔，2 1 是一种很重要的光子器件，并可用之于 滤波器口 、激光器【4 ，5 、传感器 1 等。可以通过简单的方法将微纳光纤组装成环 形谐振器。如图l 一】所示为典型的环形谐振器 1 ，将一根微纳光纤弯曲使光纤靠 近中部两个点接触并吸引在一起形成环形器件结构图l 一1 a 为微纳光纤环形谐振 器的光学显微图图1 一i b 为其模型的示意图。光从端输人，存交叠部分耦合， 并从另 端输出，当输入波长满足环形谐振器的谐振条件时，便会形成谐振，图 卜1 c 为透射谱。这种基于微纳光纤的谐振器制作方法简单，而i ：io 值大图1 一l c 中计算得到的环形谐振器的o 值为6 3 0 0 0 0 。 ( c ) 复 l l l j - n 豳l l 微纳光 t 环形喈振器【1 】。( a ) 环形l * 振器光学显微镜图。( b ) 环形 营振器示意哥。( c ) 环形谐振器透射谱。 光分束器可以实现光信号的合成与分解，在光子学领域是一 l q p 取硅的器件。 基1 一多模干涉【6 ，7 1 ，光了晶体【8 1 或等离磬元波导【9 】的分束器得剑r 根多的研究， 这些分束器得到了似好的应用但也存赴柠砦不足，例如器件尺、j 不够小，制 第一$ 前言 作方法复杂，或是成本高等。为了克服e 述不足，采用一种简单扭缠的方法，将 聚合物纳米线组装成了多输输出端口的光耦合分束器f 1 0 。图l _ 中州分别 为2 2 ，4 4 ，6 6 ，8x8 耦合分束器的扫描电镜( s e m ) 图。使用这种简单的 组装方法得到的光耦合分束器尺寸非常小且光损耗低，如l 一2 a 中2 2 分束器两 纳米线直径分别为4 6 0 t u n ( 分支a 1 ) 和5 4 8r m a ( 分支b t ) ，输入输出夹角均 为2 5 。中间耦合区的长度约1 47p , m 。通入绿( = 5 3 2n r n ) 和蓝( 九= 4 7 3r i m ) 光的损耗分别为06 5d b 和06 3d b 。 图卜2 聚台物纳米线组装的超紧凑光升束器 i 0 1 。( a h d ) 输入输出分支数 分别是2 4 ，6 8 。 由下微纳光纤直径很小，光以很强的倏逝波的形式在光纤表面向前传播，而 倏逝波场容易受到外界环境的影响，因而微纳光纤在传感领域也有着重要的应用 1 1 ，1 2 j ，例如参考文献】是一个典型的利用纳米线表面倏逝波场进行传感的例 子。如图1 3 所示，通过测量半导体s n o z 纳米线在不同环境下的吸收谱，荧光特 性谱以及表面增强拉曼谱来探知被测样品分子。 第i 廊 m o l e c u l e s i n p u l 。! ! ：= - ，o u t p u t 哼卜f n a n o r i b b o n 7 ， 。r 图1 - 3 纳米线修逝被场光孕倍感器 二维甲面内的光了器件集成技术得到了广泛的研究，f = 已得到了j 。泛的实际 应用。但二维平面内的集成光子器件尚存在一定的局限性，如其铺排_ 能局限存 同一甲面内，因此集成度将受到一定程度的限制。为解决这些柚题，三维光集 成应运而生。通过檄光直写【l3 】、晶片粘合 1 4 1 、光刻【1 5 】、氧离子注入【1 6 等技术 可实现一定的三维器件集成。为了得到一种制作方法更简单，集成度更高的三维 光子器件，参考文献1 7 1 提出了一种全新的三维光子器件的组装方法。直接将聚台 物微纳光纤交叠在一起，形成各种形状的三维光了器件。由于不同层的微纳光纤 往接触点的倏逝波耦台，实现了光信号在小同层之间传输。如图1 - 4 所示，图1 4 a 为3 3 的交叉叠加结构通光图，光从输入端l 2 输入，通过耦合分别从处十不同 层的三个输出端口中输出。图l _ 4 b 为处于两个不同层的光纤组成的不等号型结构， 光从两个输 端口输入，并从二个输出端输出。图1 - 4 c 为升字形多层变叠结构的 通光圈，光从两个输入端口输入，并从删个输出端口输山。 第章日# 吉 唔 # 鬃 图1 44 i 同形状的三维光子器件通光图- 内图均为示意图 17 i 。其中( a ) ( ”和( c ) 分别为3x3 结构不等号形结构和井字形交叉结构。 由于聚合纳米线具有非常好的柔韧性和弹性，可以弯折成任意小的角度而不 折断，因此非常适合组装一些形状更加错综复杂的三维光子器件。参考文献【1 7 】 中组转了一些直微纳光纤的交叉叠加结构，在这一研究成果的基础上，文献1 8 1 应用聚合物微纳光纤组装了结构更为复杂的光耦合器，其中微纳光纤的弯折角或 多根聚合物微纳光纤的变叉角可以为任意值，其组装的器件形状有星形和树形拓 扑网状结构。图卜5 为结构在通光时的光学显微罔，内图为相应的示意图。其中 图a 和b 分别为小角度交叉和大角度交叉的四端口耦合器，图c 和d 分别为星形结 构和树形拓扑结构的多端口耦合器。光可以通过这种结构实现更为复杂的光路拓 扑传输。文献【1 7 ，1 8 1 提出的利用聚合物微纳光纤通过直接交叠的方法组装的三维光 子器件，操作方法简单，而且制作成本低，器件尺寸小，刘集成光学器件的发展 有着很重要的作用。 第一口阿吉 豳幽 翮 虿女篷z j 釜ji ， h - - - 1 图卜5 任意或垂直交义结构的光学显微镜图【i8 】。( 对和( b ) 分圳为小角度 交叉和大角度空义的四端口耦台器。忙) 和( d ) 分别为星形和树形拓扑结构 的多端u 耦含器，内图为相应的示意图。 由以上对微纳光纤的研究可知，微纳光纤在光子学领域有着非常广泛的应用， 用微纳光纤制作的光子器件种类多，而日器件的性能很优良。随着集成光子器件 的发展制作一些尺寸更小，损耗更低的光于器件将对集成光子学的发展起到越 来越大的推动作用。 1 3 基于光纤的折射率传感器研究背景 折射率足一个很重要的参数，对折射率的检测研究也吸引了不少的研究者。 由于光纤传感器具有很多优点，如小产生电磁干扰，光信导容易被探测光纤本 身不带电，体积小，藿量轻，易弯曲，抗辐射和抗腐蚀。因而光纤传感嚣在折射 率传感领域也吸引了很多研究嬲趣。对于光纤折射牢传感器的研究丰要集中存光 纤环形谐振器型 1 9 】，锥形光纤型 2 0 ，2 1 】，光纤耦介器型【2 2 ，光纤布喇格光栅型 ( p b g ) 2 3 - 2 5 】，长圳期光纤删( l p g ) 2 62 7 1 几种类型上面。 史献1 1 9 n ，报导丁一种用微米冉径的光纤制作内折射率传感器，如图l 一6 所 一隧 第一章前言 示，图l “a 为传感器的显微镜图片，将一根长5 0 m m ，直径为25 m 微米光纤， 缠绕在直径为im m 的聚甲基丙烯酸甲脂( p m m a ) 棒子上，并用特氟纶溶液滴在 缠绕的光纤上将其埋在其中，待干燥后用丙酮溶掉p m m a 棒，形成一个待测溶液 通道。图1 “b 为传感器截面示意图。缠绕的光纤形成一个环形谐振器，当待测溶 液通道的折射率改变时其透射谱将发生改变。图1 6 c 为透射谱在不同折射率情 况下的移动。传感器对折射率的灵敏度4 0r a r 佣d u ( 单位折射率) 。 圈1 - 6 环形谐振腔折射率传感器【1 9 】。( a ) 传感器的实物图。0 ) 传感器截 面示意囤。( c ) 传感器的透射措在不同折射率环境下的移动。 罔l 一7 为一个基于锥形光纤的折射率传感器 2 0 ，将标准单模光纤中闻拉成一 个3c m 长的锥形并至于一个6c m 长lc m 宽，o5c m 高月有待测溶液通道的模 块当中，如图1 7 a 所糸。光从输 端输入，从输出端输出，当探测溶液折射率输 出端透射谱改变，图卜7 b 透射谱与溶液折射军政变的对戍关系f1 ：锥形光纤腰 第一口胁 直径为16 6u m ，2 ：锥形光纤腰直径为7 0 0n m ) 。该折射率传感器对折射率的灵敏 度为5 1 0 。 ( a ) l 一一一， ， l p d m s | | j 气一 13 213 413 b ，3 814 014 214 4 r e f r a c t i v ei n d e xo f t h el i q u i d 图l 一7 丛于倏逝波场的锥形光纤折射率传感器 2 0 1 。( a ) 传感器m 4 面示意图 ( 吣透射谱与溶液折射牢的对应关系。 赳i - s 墓十光纤描台措的折射率忙感器【2 2 1 。( a ) 传感器的示意图，曲) 被 测物分别为空气和水时的透射l g 。 参考文献【2 2 】报导了一种耻于光纤耦合器的折射半传感器。图l - 8 a 为传感器 的小意阐。将两根相同直释的光纤t p 叫音| ! 分熔融在起，形成个中部耦台k 直 径为9p m ，整个耦台器长度为6 0m m 的光学描合器。1 描台r 剧田环境的折射率 柏约仲。 巾口。一目_日日e_鼍u口do母 第章前肓 改变时，其输出端的输出光谱改变。图卜8 b 中曲线分别为待测环境为空气和水时， 透射谱的变化情况。经计算，该折射率传感器的灵敏度为4 1 一。 koh i n 等人在1 9 7 8 年利用驻波法在掺锗光纤中首次研制出永久性实现反向 模式间耦合的光纤布喇格光栅( f b g ) 2 8 】。它的芯层折射率沿轴向周期性变化，f b g 因为其成栅时间短、栅距稳定、且测量的稳定性高、易解调等优势在光通信领 域有着很广泛的应用 2 9 3 1 。f b g 也可用于折射率传感领域 2 3 - 2 5 1 可以获得性 能较好的折射率传感器。如图卜9 a 为一个典型的f b g 折射率传感器的示意日f l 2 3 1 ， 当包层模为三阶谐振时，对折射率的最高灵敏度为1 7 2n m r i u ，圈1 9 b 为该三阶 包层模谐振波长与折射率的对应关系。 1 弘1 筠13 814 c ，4 2 埘1 惦1 柏 圉】_ 9 基于光纤靠喇格光栅的折射牢传感器【2 那。( a ) 传感器示意图，( b ) 二阶包层模谐振波长与折射牢的对应关系。 l p g 又称传输光栅，足继短周期f b g 之后出现的光栅器件，l p g 由儿尔实验 室的am v e n g s k a r a r 等人于1 9 9 6 年用紫外光通过振幅掩模板照射氢载硅锗光纤首 先研制成的。周期为几十到j l 百微米，与f b g 一样，l p g 也是存光纤轴向产生折 射率的周期性调制，但在耦合机理方面，对于单模光纤光栅而言，l p g 是前向传 输的纤芯基模与前向传输的各阶包层模式之间的耦含或包层模式与纤芯墼横之问 2 f， d 0 勘计言5 ul宇。i童；。ucl显。sec * h j 的藕合。由于没有后向反射，对光源无干扰，插入损耗低，可靠性高，l p g 的独 特之处还在于其对包层的灵敏性，在通信和传感领域肯r 泛的应用。参考文献 2 6 1 中，采用二氧化碳撒光器刻蚀光予晶体光纤形成长周期光栅并用于水溶液的折射 率传感。图l l o a 为其装置的示意图，内图为传感器的截面光学显微镜图，其中 每个空气孔通道直径为约3 7u m ，用于待测溶液通道。图卜1 0 b 为谐振波长与待 测氯化钠溶液浓度的对应函数关系。氯化钠溶液的浓度与折射率有个一对应 关系使用该折射率传感器对折射率的检测极限可达到1 0 - 7 ， ( a ) ，h 一 w m i 耋争么。 品篙“一。7 = ：兰：兰”6 o c 0 2 n c e n t r 4 a t i o n6 0 fn a c w ”w 1 ” j ( ，1 图l 1 0 通过一氧化碳激光器刻蚀的周期光栅折射率传感器 2 6 1 。f a ) 传 苍器示意图，内吲为传感器的截面光学显微镜魁( b ) 谐振波k 与氯化钠水 溶液浓度的埘应夫系。 这些基于光纤的折射率传感器件对折射率传感技术的发展起到r 很重要的作 用。但是随着集成光子学技术的发展，封光子器什的集成化程度要求越来越高， 以上提到的器件尺寸都布厘米或毫米齄级，限制r 这些器件在微型区域折射率传 感的腑用j ：是青带要组袈衅里为微型化的折射率化感器。由于微纳光纤直径 季| 誊| 铷 湖 蚕| 一e u)sbu。la日； 第一章前言 小，表面倏逝波场强，且光损耗低，是制作尺寸更加微型化折射率传感器的较理 想的物理单元。 1 4 微纳光纤的拉制法制作 对于一维微纳结构，如纳米线，纳米棒等的制作方法可以分为两类：自下而 上和自上而下。自下而上的制备方法，主要是采用生长的方法，如参考文献 3 2 ，3 3 1 ， 这种方法制备的一微纳米结构光传输损耗较大。而且通过生长的方法制作的一微 纳米结构长度一般较短，弹性和柔韧性相对较差，对组装光子器件具有一定的局 限性。对于自上而下的制备方法，主要有刻蚀和直接拉制法，对于光刻，成本较 高，制作过程较复杂 3 4 】。直接拉制的方法操作简单，成本低廉，制作的一微纳米 结构直径均匀性好，表面光滑度好，而且长度长 3 5 ，3 6 ，非常适合组装一些光子器 件。 直接拉制的方法主要思想是，将被拉制的体材料在高温下熔化，然后借助一 定的外界设备，如蓝宝石尖锥，单模光纤锥，金属尖锥等，从熔融的体材料中直 接拉制出微纳光纤 3 7 】。这种方法操作简单，成本低。 聚合物具有良好的光学特性 3 8 ，3 9 】，非常适用于光学方面的应用。聚合物聚对 苯二甲酸丙二醇酯，英文名称为p o l y ( t r i m e t h y l e n et e r e p h t h a l a t e ) ，简称为p t t ，目 前关于该聚合物在光子器件方面的应用研究还比较少。p t t 纤维具有良好的柔韧 性和回复性 4 0 ，4 1 ，对p t r 纤维进行的重复拉伸实验，结果显示，即使经过十次 最大拉伸量达百分之二十的拉伸，仍然能完全恢复，充分表明p t t 纤维具有非常 优异的弹性恢复能力 4 2 1 。采用直接拉制的方法，可以简单快速而且成本低廉地制 作出光传输损耗低并且弹性和柔韧性强的聚合物p 1 v r 微纳光纤【3 6 】，有利于进一 步深入地研究聚合物微纳光纤及其所组装光子器件的光学性能。 聚合物p t t 纳米线的一步直接拉制法具体实验过程如示意图l 一1 l 所示。首先， 将白色颗粒状p t t 材料置于可控温度的加热盘上，加热盘温度升至2 5 0o c 时并保 持这一温度不变。几分钟后，p 订材料被加热至熔融态( 图卜1 1 i ) ；其次，将裸 光纤棒或锥形铁棒的末端稍微浸入熔融态的聚合物( 图1 1 1i i ) ，并以0 1 1 0m s 的速度向上提升裸光纤棒或锥形铁棒( 图l 1 1 i i i ) ；最后，在棒的末端与熔融态聚 合物或者聚合物溶液之间形成细线并迅速固化为聚合物微纳光纤( 图1 一l li v ) 。 第一$ i j 订言 i r o n s 川c ar o d i v 图1 一li 聚合物微纳光纤步拉制法示意削【3 6 】 扫描电子显微镜图l 一1 2 中的p t t 微纳光纤直径分别是l6 5h m ( 图1 - 1 2 a ) 和1 9 0n m ( 图i 一1 2 b ) 。由幽可见，所拉制出来的聚台物微纳光纤具备良好的直径 均匀度和表面光滑度。同时使用该方法拉制的p t t 微纳光纤直径低至6 0n m ， 长度长至几十厘米口6 】。如图1 - 1 3 所示，该p t t 微纳光纤柔韧性相当好，可以弯 折成很小的锐角而不折断，这样非常有利于组装结构复杂的微纳光子器件。 陶1 一1 2 单根聚合物p 1 t 微纳光纤。( a ) 直径为l6 5u m 。( b ) 直径为1 9 0t i m 。 第章前言 图卜1 3 一步拉制法制作的m 徽纳光纤s e m 凰【3 6 】 采用一步拉制法从熔融的p 丌材料直接拉制出聚合物微纳光纤，由此方法得 到的微纳光纤的机械性能和光学性能都很优良，弹性和柔韧性良好，可以弯折非 常小的锐角而不折断，光传输损耗低，而且长度更长，因而非常适合组装一些结 构更为复杂微纳光子器件。 1 5 微纳光纤的倏逝波耦合 当基于微纳光纤的光子器件制作完成后，如何将光信号导入微纳光纤光子器 件是要面临的一个重要问题，光信号的耦合主要包括光信号从光源到微纳光纤， 微纳光子器件之间以及光从微纳光纤导出几个方面。概括来说，主要有这么几种 方法：端到端的直接耦合 4 3 1 ，透镜聚焦耦合f 删和倏逝波耦合 4 s l 。 首先看端到端的直接耦台：2 0 0 3 年，l a t a - e n t v i v i e n 等人采用了一种端到端的 直接耦台方法，实现丁普通单模光纤与亚微米波导的低损耗耦台【4 3 】。图1 1 4 为 其耦合方法示意图，输入光纤与输入锥形光纤对接，输出锥形光纤与输出光纤对 接，当输入光纤中的传导模式与输入锥形光纤的传导模式，或输出锥形光纤与输 出光纤中传导模式匹配时，便可实现最大的耦台效率。 对于波导而言，传导模式的直径随方形截面尺寸减少而增加，波导的有效折 射事随之减小，当二维锥形波导的有效折射率和光纤芯层的有效折射率相接近时， 接口处的反射损耗便大大降低，对接耦合的效率也大大提高了，而且锥形结构端 第一4 衙吉 虚位置也、需要精确控制。l a u r e n lv i v i e n 等人研究表明：优化维锥形微米硅波 导的参数，当波导的横截面的尺寸从3 5 0 3 5 0n m 2 缓慢变化至1 5 5 1 5 5n 1 1 2 时， 可以实现个单模光纤与二维锥形微米硅波导的最优化的耦台效率，其损耗低至 0 2d b 。 s q u es t r i p w a v e g t t i d e s 净岖p 叫；卒 7 二二二 i 蕞一矗黜。器d c 一 蚓1 一1 4 端惴直接梢台f 4 3 其次看透镜聚焦耦合的方 击 4 4 1 。一般来说，刈于半导体激光器的h 射光存在 个儿十度的发散角，为了有效的将出射光耦台进入光纤系统，可以在半导体激 光器和光纤端面之间加一个透镜，通过选择合适的透镜，并调节蚶半导体激光器， 透镜和光纤断面的位置可将半导体激光器的出射光聚焦井耦台进入光纤系统。 使用赢接端1 4 端的对接耦合和透镜聚焦耦台可以有效的将光耦合进入直径较 大的光纤，如将光耦台进入单模光纤。由_ 微纳光纤直径非常小，使用直接端到 端的对接壤含和透镜聚焦耦含在操作上均会有一定的难度。为了找到一种简单而 且有效的方法将光耦台进入微纳光纤，可以采_ j 倏逝波耦合的方法。 首先将标准的单模石英光纤末端制作成微纳光纤锥。将标准单模石英光纤 末端k 约2 t i l l 的包层剥掉：然后，置于火焰上加热至溶化；罐后用镊子将光纤 末端夹紧并向右拉伸形成一个末端平均直径约5 0 01 1 1 1 3 的光纤锥。 其次，在实验时，首先，将拉制好的聚合物微纳光纤中间悬空，两端固定于 玻璃基片之卜，并将百英微纳光纤尖锥靠近末端约1 0e m 处固定存六轴精南调节 架上：然后，嘣节六轴精密调讧架，使石英微纳光纾尖锥求端缓缓靠近聚合物微 纳光纤，此时英微纳光纤尖的锥末端和聚合物微纳光纤会斟静l n 力和分子力的 吸引作用而粘在 足，形成个倏逝波n 0 辎合k ；最后接逝微纳光纤锥的另一 端的光源，祚光纤锥与聚合物微纳光纤之间进行倏逝波祸合，返样光信号便可祸 第一章前言 合进入聚合物微纳光纤 图l i5 光倏逝耦合的光学显微镜图像，内图是耦台结构的示意图 如图1 一1 5 所示，波长为6 5 0n m 的红色光沿着白色箭头方向从石英光纤尖锥 耦合进入聚合物p t t 微纳光纤后继续向前传播，内图是耦合结构的示意图。利用 光功率计或光谱分析仪进行测量，耦合效率可选9 0 以上。由此可知，通过倏逝 波耦合的方法可有效的将光信号耦台进入聚合物p t t 微纳光纤。 1 6 本论文的选题及思路 由前面的讨论可知，微纳光纤具有很多优良性能，可以用来制作许多类型的 光子器件，折射率传感器是一种较为重要的器件，鉴于集成光子学的发展需要， 有必要制作一种尺寸更小而灵敏度高的折射率传感器。如前面介绍的光纤传感器 在折射率传感器方面取得了很多但进展，但是器件的集成度还不够高。聚合物纳 米线作为一种具有良好机械和光学特性的物理单元，有望使用聚合物纳米线来组 装这种尺寸更小而灵敏度高的折射率传感器。本论文研究的主题是一种基于聚合 物纳米线扭缠结构的折射率传感器。 本论文第一章首先对基于微纳光纤的光子器件研究背景进行了调研，在此基 础上又进一步调研了光纤折射率传感器的研究背景，发现现有的基于光纤的折射 率传感器对折射率传感技术的发展起到了很大的作用，但是尚存在一定的不足， 如尺寸还不够小等。鉴于本小组目前对聚合物微纳光纤的研究进展，采用一步直 第一章前言 接拉制法得到机械性能和光学性能均很优良的聚合物p t t 纳米线，并可通过倏逝 波耦合的方法高效率的将光信号导入p t t 纳米线。因此，有希望使用聚合物p t t 纳米线组装尺寸更小的折射率传感器。在第一章的基础上，第二章和第三章主要 研究了p t t 纳米线扭缠结构的折射率传感器，具体包括该器件的制作方法，传感 过程，传感原理，以及其传感性能等。 1 6 第一章前言 参考文献 【1 】1m s u m e t s k y , yd u l a s h k o ，j m m i c r o f i b e rl o o pr e s o n a t o r ：t h e o r y ， t e c h n 0 1 ，2 0 0 6 ，2 4 ：2 4 2 - 2 5 0 f i n i ，a h a l e ，a n dd j d i g i o v a n n i ，t h e e x p e r i m e n t ，a n da p p l i c a t i o n , j o fl i g h t w x j i a n g ，l t 0 n g ，g v i e n n e ，a n dx g u o ，d e m o n s t r a t i o no fo p t i c a lm i c r o f i b e r k n o tr e s o n a t o r s ，a p p l p h y s l e t t ，2 0 0 6 ，8 8 ：2 2 3 5 0 1 x j i a n g ，yc h e n ，gv i e n n e ，a n dl t o n g ，a l l f i b e ra d d - d r o pf i l t e r sb a s e do n m i c r o f i b e rk n o tr e s o n a t o r s ，o p t l e t t ，2 0 0 7 ，3 2 ：1710 - 1712 x j i a n g ，q y a n g ，g v i e n n e ，yl i ，a n dl t o n g ，d e m o n s t r a t i o no fm i c r o f i b e r k n o tl a s e r , a p p l p h y s l e t t ，2 0 0 6 ，8 9 ：1 4 3 51 3 pj p a u z a u s k i e ，d j s i r b u l y , a n dpy a n g ，s e m i c o n d u c t o rn a n o w i r er i n g r e s o n a t o rl a s e r , p h y s r e v l e t t ，2 0 0 6 ，9 6 ：1 4 3 9 0 3 b j l i ，s j c h u a ，e a f i t z g e r a l d ，b s c h a u d h a r i ，s j i a n g ，a n dz c a i ， i n t e l l i g e n ti n t e g r a t i o no fo p t i c a lp o w e rs p l i t t e r w i t l l o p t i c a l l y s w i t c h a b l e c r o s s c o n n e c tb a s e do nm u l t i m o d ei n t e r f e r e n c ep r i n c i p l ei ns i g e s i ，a p p l p h y s l e t t 2 0 0 4 ，8 5 ：1 11 9 k s h y u n ，b s y o o ，j s k i r n , a n di y u n ，lx 8c h a n n e lp o w e rs p l i t t e ru s i n ga m u l t i m o d ei n t e r f e r e n c ec o u p l e ri ni n p i n g a a s p , j p n j a p p l p h y s 2 0 0 1 ，4 0 ： l 4 4 3 - l 4 4 5 k b c h u n ga n dj s y o o n , p r o p e r t i e so falx4o p t i c a lp o w e rs p l i t t e rm a d eo f p h o t o n i cc r y s t a lw a v e g u i d e s ，o p t i c a la n dq u a n t u me l e c t r o n i c s ，2 0 0 3 ，3 5 ： 9 5 9 - 9 6 6 s i b o z h e v o l n y i ，vs v o l k o v , e d e v a u x ，j 一yl a l u e t ，a n dt w ：e b b e s e n ， c h a n n e l p l a s m o n s u b w a v e l e n g t hw a v e g u i d e c o m p o n e n t si n c l u d i n g i n t e r f e r o m e t e r sa n dr i n gr e s o n a t o r s ，n a t u r e ，2 0 0 6 ，4 4 0 ：5 0 8 511 x b x i n g ，h z h u ，yq w a n g ，a n db j l i ，u l t r a c o m p a c tp h o t o n i cc o u p l i n g s p l i t t e r st w i s t e db yp t tn a n o w i r e s ，n a n ol e t t ，2 0 0 8 ，8 ：2 8 3 9 2 8 4 3 d j s i r b u l y , a t a o ，m l a w , r f a n ，a n dp y a n g ，m u l t i f u n c t i o n a ln a n o w i r e e v a n e s c e n tw a v eo p t i c a ls e n s o r s ，a d v m a t e r 2 0 0 7 ，19 ：61 - 6 6 f g u ，l z h a n g ，x y i n ，a n dl t o n g ，p o l y m e rs i n g l e - n a n o w i r eo p t i c a ls e n s o r s ， n a n ol e t t 2 0 0 8 8 ：2 7 5 7 - 2 7 61 m k a g a m i ， t y a m a s h i t a ， a n dh i t o ，l i g h t i n d u c e d s e l f - w r i t t e n 1 7 】 】 】 】 】 】 】 】n v 1 2 ，j 口 p p p 降 p n u u n 第一章前言 【1 4 】 【1 5 】 【1 6 】 1 7 】 【1 8 】 【1 9 】 【2 0 】 【2 1 】 2 2 】 【2 3 】 【2 4 】 【2 5 】 t h r e e - d i m e n s i o n a lo p t i c a lw a v e g u i d e ，a p p l p h y s l e t t ，2 0 0 1 ，7 9 ：10 7 9 10 81 b l i u ，a s h a k o u r i ，p a b r a h a