专利名称：一种高非线性复合结构微纳光波导线及其制备方法
技术领域：
本发明涉及LB镀膜和微纳光学技术领域，具体涉及一种基于LB镀膜的复合结构亚波长直径微纳光波导线。
背景技术：
Langmuir-Blogeet膜，简称LB膜，它是将具有亲水头和疏水尾的两亲分子分散在 水面(亚相)上，沿水平方向对水面施加压力，使分子在水面上紧密排列，形成一层排列有 序的不溶性单分子膜。LB膜技术就是将上述的气/液界面上的单分子膜转移到固体表面并 实现连续转移组装的技术。LB膜具有膜厚可准确控制，制膜过程不需要很高的条件，简单 易操作，膜中分子排列高度有序等特点，因此可实现在分子水平上的组装，在材料学、光学、 电化学和生物仿生学等领域都具有广泛的应用前景。近年来已开展了众多研究，涉及生物 膜仿生模拟、超薄膜制备、光学以及传感器等方面。嗜盐菌紫膜则是一种优良的非线性光学 (NLO)材料，作为一种典型的光敏细胞膜，其中起非线性作用的是一种蛋白质——细菌视紫 红质分子(bacteriorhodopsin，BR)。BR在功能和结构上与动物视网膜上的感光元——视 紫红质分子十分相似，对光照十分敏感，当BR吸收光子之后会驱动质子作跨膜运动，自身 经历一系列中间态返回原始态而完成一个光循环，因此在光信息处理和光计算技术中有着 十分重要的应用前景。通过高温拉伸法从普通单模光纤拉制出的亚波长直径微纳光波导 线，表面粗糙度可以低至原子量级，直径非常均勻，光传输损耗远远小于其他类型的亚波长 尺度光波导，可表现出强光场约束、大比例倏逝波、高非线性等特性，在微纳光子器件、光子 传感、非线性光学和原子波导等方面具有潜在的应用价值。由于现有报道中，LB镀膜工艺都是在玻璃基片上完成，因此在基片尺寸、形状和与 光学系统的融合上都存在局限性。
发明内容
本发明所要解决的问题是如何提供一种高非线性复合结构维纳光波导线及其制 备方法，这种维纳光波导线在脉冲压缩、波长变换、生物光开关、光存储、光子传感以及各种 微纳光子器件和生物光子器件的研究中有着巨大的应用潜力。本发明所提出的技术问题是这样解决的提供一种高非线性复合结构微纳光波导 线，其特征在于，包括二氧化硅微光纤，其长度等于或大于30毫米，直径为0. 4 8微米，表 面通过LB镀膜技术沉积有1 100层嗜盐菌紫膜，每层嗜盐菌紫膜厚度为5 20纳米；所 述二氧化硅微光纤的两端通过锥形过渡区连接标准光纤，用于连接各种光学仪器。一种高非线性复合结构微纳光波导线的制备方法，其特征在于，包括一下步骤①利用直径为0. 4 8微米、长度等于或者大于30毫米的二氧化硅微光纤作为基 底，放置于亚相中；②使亚相表面的嗜盐菌紫膜分子构成紧密排列的单分子膜，将二氧化硅微光纤从 亚相液面沿垂直方向提出，在膜压的作用下，气/液界面表面连续转移到二氧化硅微光纤的表面，构成一层单分子嗜盐菌紫膜LB膜，控制二氧化硅微光纤的提出速度使嗜盐菌紫膜 LB厚度为5 20纳米；③重复步骤②(N-1)次得到N层嗜盐菌紫膜，其中1彡N彡100 ；④将步骤③所得到的二氧化硅微光纤通过锥形过渡区连接标准光纤，用于连接各 种光学仪器。本发明的有益效果本发明利用直径为1微米的二氧化硅微光纤作为基底，通过 LB镀膜技术在微纳光波导线表面上沉积一层嗜盐菌紫膜的薄膜，厚度为5个纳米。光在微 纳光波导线中以大比列的倏逝波形式传输，在其表面传输的倏逝波与嗜盐菌紫膜分子相互 作用，可以产生极高的光学非线性效应。与普通石英光纤以及普通的微光纤相比，此种高非 线性复合结构光纳米线具有更高的光学非线性效应，在脉冲压缩、波长变换、生物光开关、 光存储、光子传感以及各种微纳光子器件和生物光子器件的研究中有着较大的应用潜力。本发明首次提出将LB镀膜技术与亚波长直径的微纳光波导线相结合，嗜盐菌紫 膜优良的光学非线性效应与微光纤同样优良的光学非线性特性通过LB镀膜方式相结合， 获得一种高非线性复合结构的微纳光波导线，该波导线的非线性的光学特性将得到很大的 提升。这种高非线性的复合结构微纳光波导线在脉冲压缩、波长变换、生物光开关、光存储、 光子传感以及各种微纳光子器件和微纳光电子器件的研究中有着巨大的应用潜力。
图1是高非线性复合结构微纳光波导线的结构简图；图2是高非线性复合结构微纳光波导线的LB成膜原理简图；图3是微纳光波导线LB镀膜过程示意4是高非线性复合结构微纳光波导线的镀膜装置简图；图5是复合结构微纳光波导线的光学非线性效应简图；其中，1、标准光纤，2、嗜盐菌紫膜涂敷层，3、标准光纤，4、二氧化硅微光纤，5、锥形 过渡区，6、嗜盐菌单分子层，7、栅，8、亚相，9、光谱仪或示波器，10、微纳光波导线，11、镀膜 机壁，12、光纤夹具，13、LB膜单分子层及去离子水。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步描述如图1所示，此种高非线性复合结构微纳光波导线的参数如下包括二氧化硅微 光纤4和嗜盐菌紫膜涂敷层2，将嗜盐菌紫膜单分子膜沉积在微纳光波导线的表面，镀膜次 数为100次，即在微纳光波导线表面沉积100层嗜盐菌紫膜单分子膜，厚度为500纳米，此 段结构的长度应不小于30毫米。该高非线性复合结构微纳光波导线两端通过二氧化硅微 纳光波导线的锥形过渡区5连接标准光纤1和3，用于与各种光学仪器相连。高线性复合结构微纳光波导线的制备原理如图2所示在一定的压力之下，亚相 表面的嗜盐菌紫膜分子构成紧密排列的单分子膜6，微纳光波导线10以一定的速度从液面 沿垂直方向提出，在膜压的作用下，气/液界面表面连续转移到微纳光波导线的表面，构成 了一层单分子嗜盐菌紫膜LB膜。如图3和图4所示，制备系统结构包括标准光纤1，二氧化硅微光纤4、锥形过渡
4区5、嗜盐菌紫膜单分子层6、控制膜压的栅(barrier) 7、去离子水(亚相)8、LB镀膜槽9、微 纳光波导线10、镀膜机臂(holder) 11、光纤夹具12、LB膜单分子层及去离子水(亚相)13。 制备的基本过程为，微光纤以一定速度沿垂直方向运动，由于维持了嗜盐菌紫膜单分子层 的膜压恒定，故而在微光纤每次穿过液面的时候都会从气/液表面转移一层紫膜到微纳光 波导线表面。设置软件参数，重复100次，即可获得此种高非线性复合结构微纳光波导线。该复合结构微纳光波导线的制备参数如下镀膜过程中所用亚相为二次去离子水 8，电阻率为18. 25MQ/cm，温度恒定在20摄氏度。将配置好的0. 5mg/ml的紫膜二甲基甲酰 胺溶液逐滴滴到亚相表面，扩散一个小时，形成嗜盐菌紫膜单分子层6。二氧化硅微纳光波 导线1是通过酒精灯加热软化普通单模光纤，然后缓慢拉制出的直径为1. 3微米具有较高 的直径均勻性和表面粗糙度的微纳光波导线。将拉制好的微纳光波导线放置到LB镀膜系 统的光纤夹具12上。设置膜压恒定在40mN，提拉速度为5mm/min，镀膜次数为100次。实施例1利用一步高温拉制法制作出直径1微米，表面均勻性良好的微纳光波导线，微纳 光波导线通过光纤锥形过渡区与标准单模光纤连接，将光纤放置于LB镀膜机光纤夹具上。 将0. 05mg/ml的紫膜二甲基甲酰胺溶液铺展在亚相(二次去离子水)表面，待挥发1小时 后，控制亚相温度稳定在20°C，即可开始镀膜。制备的基本过程为，微光纤以一定速度沿垂 直方向运动，由于维持了嗜盐菌紫膜单分子层的膜压恒定，故而在微纳光波导线每次穿过 液面的时候都会从气/液表面转移一层紫膜到微纳光波导线表面。设置软件参数，重复100 次，即可获得此种高非线性复合结构微纳光波导线。图5是复合结构微纳光波导线的光学 非线性效应简图上述具体实施方法用来解释说明本发明装置，而不是对本发明进行限制，在本发 明的精神和权利说明书的保护范围内，对本发明的任何改变与变动，都落入本发明的保护 范围。
权利要求
一种高非线性复合结构微纳光波导线，其特征在于，包括二氧化硅微光纤，其长度等于或大于30毫米，直径为0.4～8微米，表面通过LB镀膜技术沉积有1～100层嗜盐菌紫膜，每层嗜盐菌紫膜厚度为5～20纳米；所述二氧化硅微光纤的两端通过锥形过渡区连接标准光纤，用于连接各种光学仪器。
2.一种高非线性复合结构微纳光波导线的制备方法，其特征在于，包括一下步骤①利用直径为0.4 8微米、长度等于或者大于30毫米的二氧化硅微光纤作为基底， 放置于亚相中；②使亚相表面的嗜盐菌紫膜分子构成紧密排列的单分子膜，将二氧化硅微光纤从亚相 液面沿垂直方向提出，在膜压的作用下，气/液界面表面连续转移到二氧化硅微光纤的表 面，构成一层单分子嗜盐菌紫膜LB膜，控制二氧化硅微光纤的提出速度使嗜盐菌紫膜LB厚 度为5 20纳米；③重复步骤②(N-I)次得到N层嗜盐菌紫膜，其中1彡N彡100；④将步骤③所得到的二氧化硅微光纤通过锥形过渡区连接标准光纤，用于连接各种光 学仪器。
全文摘要
本发明公开了一种高非线性复合结构微纳光波导线，其特征在于，包括二氧化硅微光纤，其长度等于或大于30毫米，直径为0.4～8微米，表面通过LB镀膜技术沉积有1～100层嗜盐菌紫膜，每层嗜盐菌紫膜厚度为5～20纳米；所述二氧化硅微光纤的两端通过锥形过渡区连接标准光纤，用于连接各种光学仪器。该高非线性复合结构微纳光波导线是一种基于亚波长直径的二氧化硅微纳光波导线与嗜盐菌紫膜材料镀膜相结合，具有大比例的倏逝波传输以及极高的光学非线性特性。
文档编号G02B6/132GK101825744SQ201010138270
公开日2010年9月8日 申请日期2010年4月2日 优先权日2010年4月2日
发明者吴宇, 陈一槐, 饶云江 申请人:电子科技大学