（物理电子学专业论文）胶体晶体微结构光纤的制作和光学特性研究.pdf

胶体晶体微结构光纤的制作和光学特性研究摘要光子晶体的研究促进了胶体光子晶体的研究和进展，胶体光子晶体是指亚微米级的单分散胶体微球在合适的条件下自发形成三维有序周期结构。胶体晶体具有独特的光学特性，胶体晶体可以用于制作滤光器和光开关、高密度磁性数据存储器件、化学和生物传感器。光子晶体光纤( p c f ) 又被称为微结构光纤，一般是两维结构，它的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，光波可以被限制在光纤芯区传播。近年来引起广泛关注而得到快速发展，产生了巨大的市场效益和经济价值。因此，新的微结构光纤的研究具有重要的意义。本文基于胶体晶体的光学特性和制备方法，以及对微结构光纤的研究，将胶体晶体与光纤结合起来，在普通单模光纤的端面和侧面分别制备不同材料( p m m a ，s i l i c a ) 的胶体晶体微结构光纤。从光子晶体中的波动方程一麦克斯韦方程出发，理论分析和软件模拟了胶体晶体的光子带隙理论，模拟计算获得了光子带隙位于光通讯波段( c + l 波段) 所需的材料的物理参数。提出了制备大颗粒胶体晶体和在高曲率表面、小几何面积上制备胶体晶体的方法，拓展了胶体晶体自组装技术。通过实验和扫描电镜观测制备的胶体的形貌，总结实验参数，证明了这些方法的可行性，并测试了制备的胶体晶体的光谱。制备了纤芯型和包层型胶体晶体微结构光纤。研究了通过化学腐蚀方法了在光纤端面制作凹腔的方法；显微镜和扫描电镜观察制作凹腔的形貌，获得制备凹腔的参数。研究化学腐蚀光纤包层的方法，获得腐蚀参数；在光纤端面的凹腔中和高曲率半径的光纤包层上制备胶体晶体，用玻璃管和热缩套管材料封装形成了纤芯型和包层型胶体晶体微结构光纤；从布拉格衍射方程、f p 腔和光纤模式分析了这两种胶体晶体微结构光纤的光学特性，并设计光纤系统的测试实验，测量了两种微结构光纤的光学特性，得到各自的透射谱线。另外，对两种胶体晶体微结构光纤的器件应用和传感应用做了初步的分析和讨论。胶体晶体微结构光纤的制作和光学特性研究关键词：胶体晶体，微结构光纤，光子带隙，自组装技术，光学特性胶体晶体微结构光纤的制作和光学特性研究a b s t r a c tt h er e s e a r c ho fp h o t o n i cc r y s t a l sp r o m o t e st h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h ec o l l o i d a lp h o t o m cc r y s t a l c o l l o i d a lp h o t o n i cc r y s t a li st h es u b - m i c r o nl e v e lo fm o n o d i s p e r s ec o l l o i d a lm i c r o s p h c r e s 晰mt h es u i t a b l ec o n d i t i o n s ，s p o n t a n e o u sf o r m a t i o no ft h r e e d i m e n s i o n a lp e r i o d i cs t r u c t u r ei na no r d e r l ya r r a y s i n c et h ec o l l o i d a lc r y s t a l sh a v et h ep a r t i c u l a ro p t i c a lp r o p e r t i e s ，t h ec o l l o i d a lc r y s t a l sc a nb eu s e dn o to n l yi nt h ef a b r i c a t i o nf i l t e rl i g h ta n ds w i t c h , h i g h - d e n s i t ym a g n e t i cd a t as t o r a g ed e v i c e ，c h e m i c a la n db i o l o g i c a ls e n s o r s ，b u ta l s op r o v i d et h et e m p l a t e sf o rf a b r i c a t i o nt h ef u l lb a n dg a ps t r u c t u r e p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r ( p c f ) i sa l s on a m e da sm i c r o s t r u c t u r ef i b e r , i ti sg e n e r a l l yt w o - d i m e n s i o n a ls t r u c t u r e i t sc r o s s - s e c t i o n a ls u r f a c eo fam o r ec o m p l e xd i s t r i b u t i o no fr e f r a c t i v ei n d e xi su s u a l l ya r r a n g e dw i t hd i f f e r e n tf o r m so fp o r o s i t y ，a n dt h es c a l eo ft h ep o r o s i t y ，i si nt h es a m em a g n i t u d eo ft h ew a v e l e n g t h ，a n dr u n st h r o u g ht h ee n t i r el e n g t ho ft h ep c f ，t h el i g h tc a nb el i m i t e dt ot h ed i s s e m i n a t i o no ff i b e tc o r ea r e a t h ep c fa t t r a c t e dw i d ea t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r sa n dh a db e e nt h er a p i dd e v e l o p m e n t ，a n dah l l g em a r k e te f f i c i e n c ya n de c o n o m i cv a l u eh a db e e nc r e a t e d s oi ti si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o rt h er e s e a r c ho ft h en e wm i c r o s t r u c t u r ef i b e r i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h ec o l l o i d a lc r y s t a l sf a b r i c a t i o na n dm i c r o s t r u c t u r ef i b e r , t h ec o l l o i d a lc r y s t a l sw e r ec o m b i n e dw i t ht h eo p t i c a lf i b e r , a n dt h ec o l l o i d a lc r y s t a l sw e r ef a b r i c a t e do nt h ee n df a c ea n dt h es i d eo fo r d i n a r ys i n g l e - m o d ef i b e rw i t hd i f f e r e n tm a t e r i a l s ( p m m a ，s i l i c a ) f r o mt h ep h o t o n i cc r y s t a lw a v ee q u a t i o n ( m a x w e l le q u a t i o n ) ，t h ep h y s i c a lp a r a m e t e r so fm a t e r i a l sw a ss e l e c t e db yt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no ft h ec o l l o i d a lc r y s t a l so fp b gt oc o r n 。n - mt h ep b g - b a n do fc o l l o i d a lc r y s t a l si no p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s ( c + lb a n d ) w a v e l e n g t h ；t h em e t h o d so ff a b r i c a t i o nl a r g ep a r t i c l e sc o l l o i d a lc r y s t a l sa n df a b r i c a t i o nt h ec o l l o i d a lc r y s t a l so n t ot h ec u r v a t u r es u r f a c ew e r ep r e s e n t e d ，a n ds e l f - a s s e m b l e di l i胶体晶体微结构光纤的制作和光学特性研究c o l l o i d a lc r y s t a lt e c h n o l o g yw a se x p a n d e d t h et e c h n o l o g yp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e dt h r o u g hm a n ye x p e r i m e n t sa n dt h em o r p h o l o g yo fc o l l o i d a lc r y s t a l sw a so b s e r v e db ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y t h er e s u l t sp r o v e dt h em e t h o d sw e r ef e a s i b l e ，a n dt h eo p t i c a lc h a r a c t e r a t i o no fc o l l o i d a lc r y s t a l sw a sm e a s u r e d t h et e c h n o l o g yo ft h ep r o d u c t i o nc a v i t yo nt h ee n df a c eo ff i b e ra n dc o r r o d i n gc l a d d i n go ff i b e rw e nr e s e a r c h e d ；t h ef i b e rw a so b s e r v e db ys e ma n dt h et e c h n o l o g yp a r a m t e r sw e r eo b t a i n e d t h e n ，t h ec o l l o i d a lc r y s t a l sw e r ef a b r i c a t e di n s i d ec a v i t yo ft h ee n df a c eo ft h ef i b e ra n dh i g hc u r v a t u r es i d ep ff i b e rs u r f a c e ；t h ec a p i l l a r ya n do r g a n i cm a t e r i a l sw e r eu s e dt op a c k a g et h ec o r ea n dc l a d d i n gc o l l o i d a lc r y s t a l sm i c r o s t r u c t u r ej c i b e r t h eo p t i c a lp r o p e r t i e so ft h et w ot y p e sm i c r o s t r u c t u r ew a sa n a l y z e dt h r o u g hb r a g gd i f f r a c t i o ne q u a t i o n 、f pc a v i t ya n df i b e rm o d e a n daf i b e r - o p t i cs y s t e mw a sd e s i g n e dt om e a s 脚呛t h eo p t i c a lt r a n s m i s s i o n i na d d i t i o n , ap r e l i m i n a r ya n a l y s i sa n dd i s c u s s i o na b o u ta p p l i c a t i o n sa n ds e n s i n go ft w oc o l l o i d a lc r y s t a lm i c r o - s t r u c t u r ef i b e rh a db e e nd o n e k e yw o r d s ：c o l l o i d a lc r y s t a l s ，f i b e rm i c r o s t r u c t u r e ，p b g ，s e l f - a s s e m b l yt e c h n o l o g y ，o p t i c a lp r o p e r t i e si v学位论文独创性声明本人郑重声明：1 、坚持以“求实、创新一的科学精神从事研究工作。2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果。5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢意。作者日学位论文使用授权本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，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被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。作者签名：日期：胶体晶体微结构光纤的制作和光学特性研究第一章绪论材料、能源、信息是当今世界文明的三大支柱。光子晶体是一种新型的人工结构功能材料，通过设计可以人为的调控经典波的传播。光子晶体因其独特的光学特性得到广泛的研究。胶体光子晶体( 简称胶体晶体) 具有光子晶体相同的晶格和结构，差别只是制备材料的介电系数是不同的，具有与光子晶体相似的光学特性。因此，胶体晶体的研究也成为新的研究热点。光纤是光通讯中最重要的载体，光纤的光传输，光纤器件和光纤传感，由于其重要的市场价值和应用，得到许多研究机构、企业和高校的关注。光纤微结构是在光通讯和信息领域快速发展的技术，如光纤光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ，f b g ) ，光纤上制作法布里泊罗腔( f a b r y p e r o tc a v i t y ，f - p ) ，棱镜，薄膜，和进一步结合材料的光学特性，通过研磨锥形、熔融拉锥，制作高双折射结构等，在这些结构的基础上，形成了具有独特的光学特性的光纤微结构，获得了很多典型的光纤器件和传感器。而微结构光纤( 光子晶体光纤) 更是基于光子晶体的光子带隙原理，制作周期型结构的光纤，因此具有比传统光纤更优越的光学性能。1 1 光子晶体的概念、特点和研究现状1 9 8 7 年，美国贝尔实验室的e y a b l o n o v i t c h 和p r i n c e t o n 大学的s j o h n 分别在讨论如何抑制自发辐射和无序电介质材料中的光子局域时，各自独立地提出了“光子晶体 ( p h o t o n i cc r y s t a l ) 这一新概念【l ，2 】。1 9 9 0 年美国i o w a 州立大学a m e s 实验室的研究人员k m h o 等通过计算验证金刚石存在光子禁带。根据a m e s 研究小组的理论设计思路，1 9 9 1 年y a b l o n o v i t c h 自己制作出第一个具有全方位光子带隙结构【3 】，光子带隙为1 0 g 1 3 g h z ，理论计算和实验测量吻合的非常好，进而首先在微波波段用实验验证了光子禁带的存在。众所周知，在半导体材料中由于周期势场作用，电子会形成能带结构，带和带之间可能有能隙。光子晶体的情况也非常相似。如果将具有不同折射率系数的介质在空间按一定的周期排列，当空间周期和光波长相当时，由于周期性所带来的布拉格散射，它能够在胶体品休微站构光纤的制作和光学特性“f “_ _ 定频率范围内产生“光予禁带”( p h o t o n i cb a n dg a p ，p b g ) 。如果光子的能量落八光予禁带频率范围内，则不能在介质中传播。这种具确光子禁带周期性电介质结构的即光子晶体，光子品体的一维到三维的结构示意图如图l1 所示。佃向舒1 一d2 d3 一d幽1 1 光于晶体结构光子晶体的研究已经取得了令人瞩目的成果。1 9 9 6 年以来先后研制成功了光子品体直角波导、光子晶体光纤、光子品体超棱镜、光子晶体反射镜、二维光予晶体谐振腔、光予晶体天线和光子晶体滤波器等1 4 - 6 。1 9 9 8 年和1 9 9 9 年科学杂志都将光子晶体研究成果列八当年的十大研究进展。红外及可见光波段的光子晶体研究主要涉及光通讯、光信息处理、光传感和控制领域。1 9 9 8 年美国的s a n d i a 国家实验宦采用多层沉积刻蚀的方法，制作mp b g 为1 0 - d 45 p , m 的用于红外探测器的多晶硅材料三维光子晶体，最终制成l c m i c m 的光子晶体探头，可咀大大提到探铡的灵敏度，同时缩小设各体积。在此基础上，该实验室研制出周期性更小( 1 8 0 n m ) 拘可见光波段光子品体，这是现有尺寸最小的三维光予晶体。1 9 9 9 年，美国m i t 研制出光子晶体反射镜，在特定波长范围具有全反射功能；美国m i t 和英国b a t h 大学制各的光子晶体光纤传光缆，传输的信息和能量成倍的增加，理论= 能够无损耗远距离传播，并h 能够传输高功率激光。英国的s t a n d r o w s 大学后来居上，光予品体研究在短短两年时间内迅速发展，其光于晶体的制各和测试表征水平一跃进入世界前列。2 0 0 2 年，s t a n d r o w s胶体晶体微结构光纤的制作和光学特性研究大学制备的离子刻蚀半导体基光子晶体，利用光子晶体超色散效应研制的光子晶体波分复用器件具有非常高的品质。南京大学对具有特殊光学效应和禁带的离子型声子晶体和光子晶体激光器开展了卓有成效的工作。近年来英国的g l a s g o w 大学合成出人工蛋白石等尺度球，并用这种蛋白石球排列成面心立方晶体，理论和实验发现这种晶体的带隙宽到足以覆盖整个可见光波段( 4 0 0 6 0 0 n m ) 。2 0 0 2 年国防科技大学制备的s i 0 2 微球直径覆盖了5 6 0 n m 、4 7 0 n m 、2 1 7 n m 、1 3 0 n m 、6 5 n m ，尺寸散度小于3 ，制备的s i 0 2 人工蛋白石结构的光子晶体，覆盖了更宽的波段。总的来说，目前光子晶体的研究已涉及：量子光学、电磁学、固体能带论、半导体器件物理、纳米结构、固体物理、分子生物、微机电工程和材料科学等领域。世界各著名高校、通信和光电子公司积极介入了光子晶体的研究利用。1 2 胶体晶体的概念、特点和研究现状由一种或多种单分散胶体粒子组装并规整排列的二维或三维有序结构称为胶体晶体( c o l l o i d a lc r y s t a l s ) 。由于天然蛋白石( o p a l ，一种多彩宝石) 是由单分散二氧化硅球形粒子密堆积而成的胶体晶体，故胶体晶体也称为合成蛋白石。与普通晶体比较，胶体晶体中占据每个晶格点的是胶体粒子，而不是分子、离子或原子。近二十年来，光子晶体的研究发展给胶体晶体赋予了新的生命力。光子晶体的典型结构是折射率呈周期性变化的三维物体。光子晶体可以像半导体控制电子一样控制光子的传送，即在特定方向上光子晶体阻止一定频率的光波透过，而其它频率的光波可以透过。胶体晶体的这一功能使其具有广阔的应用前景。如可望用于光子开关、光子频率变换器、光波选频滤波器等元器件的制造。胶体晶体是由胶体粒子与空气介质周期性排列的有序结构，具有折射率周期性变化的特点，符合光子晶体的结构要求。除了可能作为光子晶体的应用之外，胶体晶体也可作为模型体系用于晶体胶体晶体微结构光纤的制作和光学特性研究的成核与生长、熔化等过程的基础研究。这是因为以纳、微米级的单分散胶体粒子代替原子、分子研究上述过程，可以使不能直接观测的微观行为变为可直接测量的。制备胶体晶体首先要制备单分散胶体粒子，在某些条件下，原子、分子、胶体粒子、纳米粒子等结构单元间以价键或非价键的弱能相互作用，构成更为复杂的有序结构成为自组装。在自组装的过程中，基本结构单元在基于非共价键的相互作用下自发的组织或聚集为一个稳定、具有一定规则几何外观的结构。自组装过程并不是大量原子、离子、分子之间弱作用力的简单叠加，而是若干个体之间同时自发的发生关联并集合在一起形成一个紧密而又有序的整体，是一种整体的复杂的协同作用。自组装一般能自发进行。在各种界面上形成的物理吸附膜可以视为应用最早的自组装技术。单分散胶体粒子经简单自组装可以构成二维和三维胶体晶体。制备胶体晶体的方法主要有胶体粒子的简单自组装和模板法自组装两大类。通过两种自组装方法制备胶体粒子直径为1 0 0 - 4 0 0 n m 的高质量的胶体晶体【7 3 5 】。如今，许多在微米尺度具有周期性结构的材料都采用化学自组装的方法制各。虽然有许多力量正在推动着化学自组装方法的研究和进展，但是获得光学波段的三维光子晶体即在光学波段尺度具有三维周期性材料是一个重要的动机。由于光波段三维光子晶体的晶格常数必须在微米或亚微米，结构是完全多孔的，具有非常特殊的亚微米级三维周期性( 即特定的晶格对称性) 。最近，纳米加工技术在制备1 5 9 m 的光子晶体结构方面取得了成功，与纳米加工技术的成就相同步，化学组装也被作为光子晶体制备的另一途径进行了广泛研究，因为化学组装具有简单、能制备宏观尺度三维周期性结构以及比传统纳米n i 技术经济的潜在优势。胶体自组装模板技术是制备光学波段三维光子晶体的有效途径 3 6 4 9 ，其基本工艺流程是：单分散胶体粒子之间具有短程的排斥力和长程的范德瓦耳斯力，在一定条件下二者共同作用将无序的胶体粒子自组装形成面心立方结构的有序阵列一“胶体晶体。在自然界，经过这个过程产生的就是蛋白石宝石。与此类4胶体晶体微结构光纤的制作和光学特性研究似，实验室中亚微米组装形成的称为人造蛋白石。尽管这些结构( 根据定义) 是光子晶体，但是由于胶体晶体的颗粒一般为s i 0 2 或聚苯乙烯等聚合物，折射率均低于产生光子能隙所需的折射率值( n 2 8 ) ，因此“胶体晶体 本身并不具有完全的光子禁带。但它不仅可以用于制作滤光器和光开关、高密度磁性数据存储器件、化学和生物传感器，而且为利用模板技术制备具有完全带隙的有序孔结构提供理想模板 5 0 5 2 ，如使用二氧化硅，二氧化钛和二氧化铈为材料制作反蛋白结构的有序结构，该有序结构是具有完全带隙的光子晶体【5 3 】。另外，为了增大折射率差以增大禁带宽度，华盛顿大学a 研究小组在聚苯乙烯球外面包裹了一层有机染料，有机染料的折射率随频率变化，当频率达到任意一个共鸣频率时，折射率都会显著增大，从而使禁带宽度大大增加。此外，美国匹兹堡大学的研究者制成“可调谐”光子晶体，方法是使聚合物小球在水凝胶模层中悬浮，水凝胶由一种吸水性合成聚合物制成。这时，可以通过水凝胶的缩胀来调节带隙的波长。目前制备的胶体晶粒多为聚苯乙烯乳胶体系和二氧化硅胶体颗粒体系。为了提高介电比，以颗粒小球所构成的紧密堆积结构为模板，向小球间隙填充高介电常数的s i 、g e 等材料，然后通过煅烧、化学腐蚀等方法将模板小球除去，得到三维空间的周期结构，即反蛋白石结构。胶体晶体有多种应用，如：光子晶体，传感器，模板功能等。( 1 ) 光子晶体光子在光子晶体中的行为与电子在半导体中的行为相似，即光子晶体在各个方向能阻止一定频率范围的光传播( 称为“完全带隙 ) 。由亚微米或微米级胶体粒子组装的胶体晶体是具有特定光子带隙( 光子晶体对入射光的布拉格衍射产生的光子禁带) 的光子晶体，即一定频率范围的光因受到强烈的布拉格衍射而不能透过胶体晶体。因此，某些胶体晶体可作为光开关材料。图1 2 是聚苯乙烯胶体晶体多层膜的透射谱。实际上制备产生完全带隙的胶体晶体还是有一定的困难。首先，面心立方密堆积排列的胶体晶体结构上是完全对称的，只能形成不完全带隙，即只能在某些方向阻止禁带频率范围光的传播。为此，改变胶体晶体的结构s胶体晶体微结构光纤的制作和光学特性研究的对称性，组装非球形粒子的胶体晶体可能是有益的。其次，选择更多材质的单分散胶体粒子有可能组装具有完全带隙或可控的胶体晶体。现已研制出许多由金属和半导体材料的单分散球形粒子组装的胶体晶体。最后，研究新的组装方法，实现非球形胶体粒子组装胶体晶体尚处于探索阶段。图1 2 聚苯乙烯胶体晶体多层膜的透射谱( 2 ) 传感器传感器是指利用一定规律使不易被直接检测的量转换成便于检测和处理的物理量的器件。既然胶体晶体是一种光子晶体，故其对特定波长的光有强烈的布拉格衍射现象，即胶体晶体晶格间距的变化会引起布拉格衍射峰的移动。有时这种光谱峰的移动可以直接用裸眼观察。胶体晶体因外界环境的变化而引起晶格间距的变化也必将引起颜色的改变。据此胶体晶体可制成能反映外界环境变化的传感器。例如，在胶体晶体粒子的间隙中以共聚合的方式引入能蛰和某种金属离子的冠醚功能单体，该体系晶面间距和衍射峰的位置将随粒子浓度大小而变化。因而可以根据衍射峰的位置确定离子浓度。( 3 ) 制备有序大孔材料的模板功能以胶体晶体为模板，在胶体粒子间隙中填充另一种材料，去除模板，可得与模板结构相反的三维有序的大孔材料。这一制备方法的一般步骤如图1 3 所示。一一一6肢体晶体微结构光纤的制作# 光学特性研究胶体晶体模板复台体有序大孔结构图l3 胶体晶体模板法制备二维有序太孔材料过程示意图制备结构相反的三维有序的大孔材料方法的主要内容是：首先用单分散胶体粒子组装成三维肢体晶体，再用各种手段( 如溶胶凝胶、电化学沉积、化学气相沉积、离心、浸渍、垂直共沉积等) 使在胶体晶体的间隙中填充某种待制各物质或其前驱体形成复合体；最后用化学腐蚀( 对无机物粒子构成的胶体晶体) 或高温煅烧( 对有机物构成的胶体晶体) 等方法除去复合体中的胶体晶体模板( 若应用前驱体需使其转化为晟终产物) ，可得三维有序大孔材料。图1 4 就是文献 2 2 中用此方法得到的几种典型有序大孔材料的s e m 图像和“反蛋白石结构”的光子晶体，。应用胶体晶体模板制各的三维有序丈孔材料是模板的反向复制，故称其为反蛋白石( o p a l ) 结构。反蛋白石结构大孔材料的孔结构由胶体晶体结构决定，故其孔壁组成受填充物料性质、前驱体的性质、填充手段、模板去除方法及条件等制约。囤14 胶体晶体模板法制备的几种大孔材料的s e m 图像反蛋白石结构大孔材料也是完全带隙光子晶体的一种形式，孔径大小不仅可由形成模板的胶体粒子大小控制而有效调节光子带隙的位置，而且可通过填充高介电常数物质，提高两种介质的介屯常数之比，从而加宽带腺或促成完全带隙。反蛋白石结构大孔材料在大分子催化、分离与提出、半导体和电池材料、光波导器件等方面有应用前景。例如s t e i n 等报道了大块碳三维有序大孔材料的合胶体晶体微结构光纤的制作和光学特性研究成及其在锂离子二级电池阳极材料方面的应用【5 4 】；b l a n c o 等制备的单晶硅大孔材料有望用于制作光波导器件 5 5 】。( 4 ) 制备有序二维纳米结构模板功能将单分散胶体粒子在固定基底上组装成六方密集堆排列，可得二维胶体晶体。在二维胶体晶体中，每三个相邻的粒子间有三角形空隙，这些空隙也是二维有序排列的。以二维胶体晶体为模板，将其它物质以各种方法沉积于未被遮掩的基底上，除去二维胶体晶体模板，可得到沉积物的二维纳米结构排列。由于二维胶体晶体中胶体粒子为球形的，故所得沉积物的二维图案十分复杂。这一过程与上述方法类似，只是将胶体晶体模板视为二维的。二维胶体晶体模板也可以由双层纳米粒子排列构成。各种物质在二维胶体晶体上的沉积方法有多种。如以单层或双层胶体晶体为模板，在聚苯乙烯微米球粒二维阵列蒸镀沉积上a u 形成各种图案。用化学沉积法使c u 沉积于单层胶体晶体上，得到c u 的二维纳米结构。用活性离子刻蚀法得到非球形胶体粒子的二维有序结构。二维纳米有序结构对于制造微纳米电子器件、光学器件、生物芯片和化学传感器有重要意义。1 3 微结构光纤的概念、特性和研究现状光子晶体光纤( p h o t o n i ec r y s t a lf i b e r ，p c f ) ，又称多孔光纤或微结构光纤【5 6 6 8 1 ，以其独特的光学特性和灵活的设计成为近年来的热门研究课题。这类光纤是由在纤芯周围沿着轴向规则排列周期性材料构成，有空气芯和实质材料芯等结构，通过这些周期性结构对光的约束，实现光的传导。微结构光纤的结构示意图如图1 5 。独特的波导结构，灵活的制作方法，使得p c f 与常规光纤相比具有许多奇异的特性，有效地扩展和增加了光纤的应用领域【6 9 】。在光纤激光器这一领域内，p c f 经专门设计可具有大模面积且保持无限单模的特性，有效地克服了常规光纤的设计缺陷。以这种具有新颖波导结构和特性的光纤作为有源掺杂的载体，并把双包层概念引入到光子晶体光纤中，将使光纤激光器的某些性能有显著8胶体晶体微结构光纤的制作和光学特性研究改善。近年来，国内外的很多大学和科研单位都在积极开展光子晶体光纤激光器的研究工作 7 0 】。目前，国外输出功率达到几百瓦的光子晶体光纤激光器已有报j l l逼oooooo oooooooooooooooooooooooooooooooo夺ooooo ooooooooooooooooo ( a 图1 5 微结构光纤结构示意图1 3 1 光子晶体光纤导光机理按导光机理来说，p c f 可以分为两类：折射率导光机理和光子能隙导光机理。周期性缺陷的纤芯折射率( 石英玻璃) 和周期性包层折射率( 空气) 之间有一定差别，从而使光能够在纤芯中传播，这种结构的p c f 导光机理依然是全内反射，但与常规g 6 5 2 光纤有所不同，包层内包含空气，所以这种机理称为改进的全内反射，这是因为空芯p c f 中的小孔尺寸比传导光的波长还小的缘故 7 1 】。理论上求解光波在光子晶体中的本征方程即可导出实芯和空芯p c f 的传导条件，即光子能隙导光理论。如图1 5 所示，光纤中心为空芯，虽然空芯折射率比包层石英玻璃低，但仍能保证光不折射出去，这是因为包层中的小孔点阵构成光子晶体。当小孔间距和小孔直径满足一定条件时，其光子能隙范围内就能阻止相应光传播，光被限制在中心空芯之内传输。最近有研究表明，这种p c f 可传输9 9 以上的光能，而空间光衰减极低，光纤衰减只有标准光纤的1 2 1 4 7 2 。空芯p c f 光子能隙传光机理具体解释为：在空芯p c f 中形成周期性的缺陷是空气，传光机理是利用包层对一定波长的光形成光子能隙，光波只能在空气芯形成的缺陷中存在和传播。虽然在空芯p c f 中不能发生全内反射，包层中的小孔点阵结构起到反射镜的作用，使光在许多小孔的空气和石英玻璃界面多次发生反9胶体晶体微结构光纤的制作和光学特性研究射。1 3 2 光子晶体光纤的特性p c f 有如下特点：结构设计灵活，具有各种各样的d , ：f l 结构；纤芯和包层折射率差可以很大；纤芯可以制成多种样式；包层折射率是波长函数，包层性能反映在波长尺度上等。因此p c f 有许多独特的性质。( 1 ) 无截止单模普通单模光纤随纤芯尺寸的增加会变成多模光纤。对于p c f 只要其空气孔径与孔间距之比小于0 2 ，可在从蓝光到2 1 t m 的光波下单模传输，不存在截止波长。这就是无截止单模传输特性，且这种特性与光纤绝对尺寸无关，因此通过改变空气孔间距可调节模场面积，在1 5 5 0 n m 可达1 - - 一8 0 0 1 l t m 2 ，已制成了6 8 0l x m 2 的大模场p c f ，大约为常规光纤的1 0 倍 7 3 】。小模场有利于非线性产生，大模场可防止发生非线性，这对于提高或降低光学非线性有极重要的意义。这种光纤具有很多潜在应用，如激光器和放大器( 利用高非线性光纤) ，低非线性通信用光纤，高光功率传输等。( 2 ) 不同的色度色散真空中材料色散为零，空气中的材料色散也非常小，空气芯p c f 的色散非常特殊。由于光纤设计很灵活，只要改变孔径与孔间距之比，即可达到很大的波导色散，还可使光纤总色度色散达到所希望的分布状态，如零色散波长可移到短波长，从而在1 3 0 0 n m 实现光弧子传输；具有优良性质的色散平坦光纤( 数百n m带宽范围接近零色散) ；各种非线性器件以及色散补偿光纤( 可达2 0 0 0 p s n m k m ) 应运而生 7 4 】。( 3 ) 极好的非线性效应双折射效应g 6 5 2 光纤中出现的非线性效应是由于光纤单位面积上传输的光强过大造成严重损伤系统传输质量的一个现象。而在光子能隙导光p c f 中，可以通过增加p c f 纤芯空气孔直径( 即p c f 的有效面积) 来降低单位有效面积上的光强，从而达到大大减少非线性效应的目的【7 5 】。光子能隙导光的这个特性为制造大有效1 0胶体晶体微结构光纤的制作和光学特性研究面积p c f 奠定了技术基础。( 4 ) 优良的双折射效应保偏光纤中，双折射效应越强，波长越短，保持传输光偏振态越好。在p c f中，只需要破坏p c f 剖面圆对称性，使其构成二维结构就可以形成很强的双折射。通过减少空气孔数目或者改变空气孔直径的方式，可以制成比常用熊猫保偏光纤高几个数量级的高双折射率p c f 保偏光纤 7 6 1 。( 5 ) 较高的入射功率光子晶体光纤的全波长单模特性与光纤绝对尺寸无关，放大或缩小光纤照样可以保持单模传输，这表明可以根据需要来设计纤芯面积。英国b a t h 大学研究人员已经制作了工作在4 5 8 n m ，纤芯直径是2 3 9 m 的单模光子晶体光纤。其纤芯面积大约是传统光纤纤芯面积1 0 倍左右，用于高功率传输时，不会出现非线性效应。( 6 ) 光子晶体光纤的非线性现象减小光纤模场面积，可增强非线性效应，从而使光子晶体光纤同时具有强非线性和快速响应特性。常规光纤有效截面积在5 0 - - 1 0 0 1 m a 量级，而光子晶体光纤可以做到1 岬量级，所以各种典型非线性光纤器件如科尔光闸、非线性环形镜等就可以做成比普通光纤短1 0 0 倍1 7 7 。通过改变孔间距可以调节有效模场面积，调节范围在1 5 1 x r n 波长处约为1 n 8 0 0 p a r l 。在孔中可以装载气体，也可以装载低折射率液体，从而使光子晶体光纤具有可控制的非线性。( 7 ) 易于实现多芯传输多芯传输有以下两个优点：一是提高了信道通信的容量，二是解决了单芯难以胜任的复杂通信网络、矢量弯曲传感、光纤耦合等问题。光子晶体光纤使得多芯的结构能被精确定位且具有良好的轴向均匀性，无须附加其他工艺。1 。3 。3 光子晶体光纤的发展和研究现状1 9 9 6 年，英国南安普顿大学光电研究中心和丹麦技术大学电磁系首先报道了成功制备出p c f 。莫斯科大学a m z h e l t i k o v 等人也进行了包层具有周期分布胶体晶体微结构光纤的制作和光学特性研究空气导孔的多孔光纤的研制。研究发现，改变多孔光纤包层的几何结构，可有效地增强光纤中非线性效应【7 8 】。这种方法可应用于脉冲压缩、光孤子的形成和受激拉曼散射的增强。2 0 0 1 年，英国b a t h 大学w a d s w o r t h 等人实现了双包层光子晶体光纤结构。双包层光子晶体光纤掺杂离子为y b 3 + 离子，纤芯直径1 5 2 1 a m ，数值孔径o 1 l ，内包层直径1 5 0 1 , t i n ，数值孔径0 8 ，利用2 0 w 光纤耦合二极管阵列泵浦该光纤，光纤长度为1 7 m ，获得了3 9 w 功率输出，斜效率2 1 。实验中发现，双包层光子晶体光纤存在随机散射中心，说明纤芯中存在着缺陷，有待进一步完善光子晶体光纤的结构。2 0 0 2 年，日本n o r i h i k o 等人以锁模掺e r 3 + 光纤激光器为泵浦源，结合周期极化l i n b 0 3 ，泵浦长6 0 c m 的高非线性p c f ，得到波长调谐范围为0 7 8 0 9 0 1 , t m的孤子脉冲，脉宽为5 5 f s ，所用p c f 芯径为1 7 _ t m ，零色散波长大约在0 6 9 1 a m处【7 9 】。2 0 0 3 年1 月，w a d s w o r t h 等人报导了利用大模面积空气包层p c f 研制的高功率p c f 激光器，其结构为双程后向线性腔结构，最大输出功率3 9 w ，斜率效率3 0 ，实现单横模运转【8 0 】。所采用的p c f 纤芯直径为1 5 i t m ，内包层数值孔径大于0 8 。为了使包层中的泵浦光最大限度的耦合到纤芯中，提高纤芯对泵浦光的吸收，p c f 的掺杂纤芯采用了偏芯设计。2 0 0 4 年初，b l a z e 曾发布了一款新型p c f ，该光纤是针对n d 3 + 微芯片激光器特别优化设计的，可产生超连续光谱，这种光谱可在单模光纤中产生一个宽带输出，光谱亮度超过太阳1 0 0 0 0 倍。b l a z e 表示利用微芯片激光器和p c f 可获得高性能光源，将会取代l a m p 和超高亮度l e d 等传统的宽带光源。2 0 0 4 年，清华大学研究人员理论上计算了p c f 的色散值，所选择p c f 结构参数为：空气孔间距为o 8 1 m a ，空气孔直径与空气孔间距之比是0 8 3 5 。计算得到在1 5 5 1 m ap c f 的色散值可以达到2 0 5 0 p s ( k m n m ) ，可以补偿1 2 0 倍长度的( 2 6 5 2 光纤( 1 7 p s ( k m i l i l l ) ) ，可以补偿2 4 0 倍长度的( 2 6 5 5 光纤( 8 2 p s ( k m r i m ) ) ，从而大大缩短了色散补偿光纤的长度【8 1 】。p c f 的色散补偿作用在高速率、大容量、远距离的w d m 系统中将会具有极大的应用价值。1 2胶体品体微结构光纤的制作和光学特性研究2 0 0 5 年，英国b a t h 大学a o r t i g o s a 和b l a n c h 等人用2 0 0 f s 的泵浦脉冲在p c f中产生了超连续谱，日本电报电话公司t y a m a m o t o 等人用波长1 5 6 2 n m 、脉宽2 2 p s 、重复频率4 0 g h z 的光脉冲注入到2 0 0 m 长的色散平坦保偏p c f 中，在1 5 5 0 n m 区域产生了超过4 0 n m 的均匀超连续谱，而美国r o c h e s t e r 大学z m z h u等人利用丹麦c r y s t a lf i b e ra 公司低双折射、高非线性p c f 获得6 0 0 一- - 1 0 0 0 n m的超连续谱 8 2 】。1 4 课题来源和本文的研究内容、意义课题来源：江苏省技术支撑计划项目( 工业部分) n o ：b e 2 0 0 8 1 3 8 ，胶体晶体微结构光纤的研制，2 0 0 8 年立项，2 0 11 年结题。1 4 1 项目研究背景简介( 1 ) 光纤传感器随着光纤及其相关技术的日趋成熟，对光纤传感器的原理性研究与应用开发成为整个领域发展的热点和关键。光纤传感器主要有光纤光栅和光纤法布里一珀罗( f p ) 传感器两大类，也是传感器研究与应用中最为广泛和最具有市场潜力的两种光纤传感器 8 3 9 3 。光纤光栅传感器的主要类型有：光纤布拉格光栅( f b g ) 和长周期光纤光栅( l p f g ) 。f b g 型光纤传感器已经历了原理性研究和实验论证阶段。光纤f p 传感器可分为两类：本征型光纤f - p 传感器( i f p i ) 和非本征型光纤f p i 传感器( e f p i ) 。光纤f - p 传感器正向着小型化与智能化的方向发展 9 4 9 7 1 。( 2 ) 光子晶体光纤( 微结构光纤) 光纤传感器的进一步发展同时推动了新的传感器用特殊光纤材料和器件的研究。将光子晶体的带隙结构应用于光纤形成了光子晶体光纤，又称微结构光纤。采用紫外侧写技术或c 0 2 热激技术，可以在p c f 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 9 8 1 0 3 。( 3 ) 胶体晶体制备对于制造光学波段的光子晶体，化学方法就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。此方法可归纳如下：胶体晶体微结构光纤的制作和光学特性研究( a ) 合成单分散的胶体微球( 如二氧化硅或聚苯乙烯微球) ；( b ) 对微球进行组装，形成三维有序堆积；( c ) 烧结以增加样品的机械强度，同时控制颗粒间的孔隙率。颗粒组装方法简便易行，材料选择范围宽，圆形颗粒易合成，且尺寸可控，制作成本低 1 0 4 ，1 0 5 。1 4 2 国内外开展微结构光纤及其传感器研究简介目前微结构光纤的理论研究主要集中在色散特性、光子带隙以及非线性现象。与普通光纤相比，微结构光纤的传导机制更加复杂，结构更加灵活，理