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静电纺丝技术在微纳光纤传感中的初步研究

李乐  
【摘要】:光纤应用技术在过去的几十年里得到了快速的发展,对于全光纤器件的研究越来越多的受到科研人员的重视,由于微米/纳米尺度的光导纤维(以下简称为微纳光纤)的直径小于光波长,纤芯和包层的高折射率差可以使光纤对光场具有很强的约束能力,另外,倏逝波传输也是微纳光纤所具有的一个重要特性。同时,微纳光纤技术增加了光学器件的响应速度和灵敏度,减小了光学器件的体积以及降低了功率损耗。这些优势都促使光纤和光纤设备朝着小型化的方向发展。在未来的发展中,微纳光纤可以作为构建微米或纳米量级光子学器件单元或微型光学传感器单元。因此,制备微纳光纤具有深远的意义,引起了国际上的广泛关注。 目前,几乎所有的微纳光纤(Micro/nano Fiber,简称为MNF)较为成熟的制备方法都是基于激光加热或火焰加热来制备无机材料微纳光纤,而对于如何制备高分子微纳光纤方面的报道却很少。静电纺丝方法是制备高分子微纳纤维简单有效的方法之一,本文利用静电纺丝技术成功的制备了直径最细可达到300nm,长度可达到几十厘米的高分子微纳光纤,通过改变溶液的浓度以及混合溶剂之间的体积比可以控制微纳光纤直径在300nm至1000nm范围内变化,从扫描电子显微镜图像中可以观察到表面光滑且直径均匀的高分子微纳光纤。同时,耦合理论的仿真和耦合实验的结果也证明了高分子微纳光纤具有很好的导光特性。利用静电纺丝技术制备的高分子微纳光纤在微纳光纤传感器以及微纳光子学器件集成等方面将有潜在的应用。静电纺丝方法提供了一种制备表面光滑、直径均匀的微纳光纤的方法,而且这种方法不需要昂贵的实验设备和复杂的实验工序。 在高分子微纳光纤中容易掺杂各种荧光染料、金属氧化物和酶等功能材料,这些优势都是石英和玻璃等无机材料微纳纤维难以实现的。因此,我们利用静电纺丝技术成功的制备出中性红掺杂的PMMA聚合物微纳光纤和[Ru (dpp)3]Cl2掺杂的凝胶硅基微纳光纤,分别进行了对氨气浓度和氧气浓度检测的实验。由于高分子微纳光纤具有表面光滑、直径均匀、高的表面体积比等优点,而且气体分子容易扩散进高分子纤维中,与纤维中掺入的指示剂充分作用,因此基于高分子微纳光纤的气体传感方法比传统的气体传感方法有更多的优点,例如,器件尺寸更小、敏感性更强等。有利于研制功能多样化、敏感性更强、响应速度更快的微型化光纤气体传感器。


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