[发明专利]一种介质硅光子晶体光纤及其制作方法

说明书

本发明公开了一种介质硅光子晶体光纤及其制作方法，包括介质硅纳米粒子、微米光纤、宽谱激光器、光谱分析仪、光学UV胶、石英毛细管、显微镜、紫外光固化器。本发明将介质硅纳米粒子均匀分散在光学UV胶中，借助宽谱激光器和光谱分析仪实时监测透射光谱变化，利用紫外光固化器固化UV胶来获得固体光子晶体结构，并通过显微镜实时观测光子晶体光纤结构的形成过程。介质硅纳米粒子具备局域光场增强和零后向散射特点，通过本发明公布的制作方法获得的介质硅光子晶体光纤，有助于新型生化传感及光子器件的研制。

技术领域

本发明基于介质硅纳米粒子的局域光场增强和零后向散射特性，提供了一种介质硅光子晶体光纤及其制作方法。

背景技术

光子晶体光纤，又称微结构光纤，相关概念最早由Rusell于1992年提出，随后由Birks于1995年从理论上验证了其导光性能，并与1999年首次成功制备。它可通过亚波长周期微结构实现对光信号的空间调制，近年来在非线性光学、激光诱导传输、生物医学成像、光学传感、量子光学器件等领域受到广泛关注并获得迅速发展。未来该技术在其他科研和工程领域还会开辟更多的研究方向，也亟需在更多领域拓展其应用范围。

传统光子晶体光纤是由石英与空气组成的周期排列二维结构，其制作工艺是通过将特定几何尺寸的石英毛细管堆积来制作预制棒，再将预制棒放在光纤拉丝塔中，采用精确控制加热温度、惰性气体压强和拉制速度来制备符合尺寸要求的光子晶体光纤。受到以上三个条件及其稳定性的限制，采用预制棒拉制技术制备的光子晶体光纤的几何结构参数难以精确控制。正是由于光子晶体光纤的制备技术复杂，目前国际上仅NKTPhotonics公司能提供商用化的光子晶体光纤，处于垄断地位，因此光子晶体光纤价格居高不下，也在客观上限制了光子晶体光纤相关应用的发展。

从近年来相关研究进展可看出：相对于表面等离子体纳米结构，具有Mie谐振特性的高折射率介质硅纳米粒子可以保证电场和磁场偶极子模式共存，进而利用电、磁场相互作用产生局域光场增强效应，有效增强表面荧光和拉曼散射，并且不会产生自加热现象，适合对热敏感生物样品的高精度检测；当电、磁场强度相当时，可有效减小甚至近乎消除后向散射，可用于减小背景噪声，提高微型传感器件性能；所产生Fano谐振现象的Q值更高，可用于实现痕量分子浓度或单分子探测，并在此基础上开发高分辨率、高集成度的微型生物传感器。

同时，通过在光纤表面自组装纳米粒子胶体，实现传感器件性能改进的相关研究工作中，所使用的基元均为聚合物纳米粒子或金属纳米粒子，尚未出现将介质纳米粒子胶体自组装结构与光纤结构或光纤传感技术相结合，并设计先进传感器件研究的报道。

发明内容

本发明提供了一种介质硅光子晶体光纤及其制作方法，解决了目前介质硅纳米粒子结构只能在平面结构上通过昂贵的纳米加工设备制作的问题，结合介质硅纳米粒子、光学UV胶和石英毛细管。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种介质硅光子晶体光纤，包含有介质硅纳米粒子、光学UV胶、微米光纤，介质硅纳米粒子借助超声波振荡均匀分散并悬浮微米光纤的光学UV胶5中，形成三维光子晶体结构。

其中，介质硅纳米粒子1的形状为球形，直径为100nm；微米光纤2的材质为石英，折射率为1.46，内径为20微米，外径为150微米，由普通单模光纤经过高温拉伸法制备得到。光学UV胶5的折射率为1.37。

上述的介质硅光子晶体光纤制作采用的技术方案是：

(1)利用微量生物注射器将含有介质硅纳米粒子1的光学UV胶5注入微米光纤6中，借助超声波振荡技术使介质硅纳米粒子1均匀分散并悬浮在光学UV胶5中，即形成三维光子晶体结构；

(2)使用显微镜7实时监测光子晶体结构，并通过宽谱激光器3和光谱分析仪4实时监测透射光谱变化，待观测到光子晶体光纤的特征透射光谱时启动紫外光固化器8将光学UV胶5固化，截取固化后的石英毛细管，得到介质硅光子晶体光纤。