[發(fā)明專利]基于壓力響應(yīng)水凝膠光柵的微型光譜儀及其制備方法

有效

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• 申請日: 2013-07-26
• 公開（公告）號: CN103411671A
• 公開（公告）日: 2013-11-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙遠(yuǎn)錦;丁海波;陸潔;謝卓穎;顧忠澤
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28;G01J3/02
• 代理公司: 北京瑞思知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11341
• 代理人: 李濤

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光學(xué)器件制造領(lǐng)域，特別是涉及一種基于壓力響應(yīng)水凝膠光柵的微型光譜儀及其制備方法。

背景技術(shù)

光譜儀是將成分復(fù)雜的光分解為光譜線的科學(xué)儀器，由棱鏡或衍射光柵等構(gòu)成，利用光譜儀可測量物體表面反射的光線。對于光柵光譜儀，當(dāng)一束復(fù)合光線進(jìn)入入射狹縫，首先由光學(xué)準(zhǔn)直鏡匯聚成平行光，再通過衍射光柵色散為分開的波長，利用每個波長離開光柵的角度不同，由聚焦反射鏡再成像出射狹縫。通過電腦控制可精確地改變出射波長。其中光柵作為重要的分光器件，它的選擇與性能直接影響整個系統(tǒng)性能。根據(jù)傳統(tǒng)的制作方法，光柵可分為刻劃光柵、復(fù)制光柵、全息光柵等。刻劃光柵是用鉆石刻刀在涂薄金屬表面機(jī)械刻劃而成；復(fù)制光柵是用母光柵復(fù)制而成；全息光柵是由激光干涉條紋光刻而成。這些制作方法涉及精密微機(jī)械加工，工藝要求嚴(yán)格，成本高，測量精度受限于機(jī)械加工精度。

光子晶體是由不同折射率的介質(zhì)周期性排列而成的人工微結(jié)構(gòu)。與半導(dǎo)體晶格對電子波函數(shù)的調(diào)制相類似，光子帶隙材料能夠調(diào)制具有相應(yīng)波長的電磁波。當(dāng)電磁波在光子帶隙材料中傳播時，由于存在布拉格散射而受到調(diào)制，電磁波能量形成能帶結(jié)構(gòu)。能帶與能帶之間出現(xiàn)光子帶隙。所具能量處在光子帶隙內(nèi)的光子，不能進(jìn)入該晶體。因此，其對于光子禁帶內(nèi)的光具有良好的反射能力。

利用水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以鎖定光子晶體的有序結(jié)構(gòu)，同時在外界刺激的作用下改變光子晶體水凝膠的相對折射率或者晶格距離，可以實(shí)現(xiàn)光子禁帶的調(diào)控。對于一塊非密堆積光子晶體水凝膠薄膜，在其不同位置施加不同的作用力，使其實(shí)現(xiàn)寬譜段的顏色分布，可在光譜儀中代替光柵。該方法可以有效解決現(xiàn)有光譜儀檢測譜段有限的問題，但其加工要求苛刻，數(shù)據(jù)分析復(fù)雜，不利于微型化和集成化。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是提供一種基于壓力響應(yīng)水凝膠光柵的微型光譜儀，能夠解決現(xiàn)有光譜儀成本昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易于微型化等缺點(diǎn)。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個技術(shù)方案是：提供一種基于壓力響應(yīng)水凝膠光柵的微型光譜儀，包括：濾光單元、連接光路、探測單元，所述連接光路為Y型光纖，Y型光纖的第一端為光路入口，第二端連接探測單元，第三端垂直置于濾光單元上；所述濾光單元包括水凝膠、上玻片和下玻片；所述水凝膠為非密堆積光子晶體水凝膠，并呈一定厚度的片狀，所述水凝膠放置在由所述上玻片和所述下玻片形成的密封空間中；所述密封空間的截面呈錐形，所述上玻片對水凝膠施加階梯壓力場。

在本發(fā)明一個較佳實(shí)施例中，所述上玻片和下玻片的左端由固定裝置直接接觸固定，所述上玻片和下玻片形成的內(nèi)部空間自左向右依次為所述水凝膠和墊片。

在本發(fā)明一個較佳實(shí)施例中，所述水凝膠和所述墊片的厚度相同。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的另一個技術(shù)方案是：提供一種基于壓力響應(yīng)水凝膠光柵的微型光譜儀的制備方法，所述制備方法如下：

（1）水凝膠薄膜的制備

將單分散的光子晶體粒子加入水凝膠前聚體溶液中形成懸濁液，調(diào)節(jié)光子晶體粒子的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，加入引發(fā)劑，超聲分散，直至懸濁液產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色；將上述產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色的溶液灌入模具中，靜置，直至溶液分散均勻并保持鮮亮顏色；采用紫外光照射或者熱固法聚合上述分散均勻的溶液，得到膠晶體水凝膠薄膜，將薄膜從模具上剝落，置于純水中保存；

（2）濾光單元的制備

將制得的水凝膠薄膜置于兩片玻片之間，并沿玻片橫向放置，然后將兩玻片的一端用夾具固定，另一端內(nèi)部放置與薄膜厚度相同的墊片；調(diào)整水凝膠薄膜在兩玻片之間的位置；對固定好水凝膠薄膜位置的兩玻片實(shí)施封裝，形成濾光單元；對制備完成的濾光單元進(jìn)行特征反應(yīng)峰的表征，記錄薄膜上不同位置與其特征反應(yīng)峰的關(guān)系；

（3）光譜儀的搭建

待測光經(jīng)Y型光纖的第一端進(jìn)入，從第三端垂直入射到濾光單元的水凝膠薄膜上表面，Y型光纖的第二端連接探測單元，沿水凝膠薄膜特征峰分布的方向移動Y型光纖的探頭，記錄反射光強(qiáng)度與其在水凝膠薄膜上位置的譜圖，反射光強(qiáng)度的峰值即為對應(yīng)于待測光光譜的峰值。

在本發(fā)明一個較佳實(shí)施例中，所述步驟（1）中的水凝膠前聚體為甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸羥乙酯、醋酸丁酸纖維素、硅氧烷甲基丙烯酸酯、氟硅甲基丙烯酸酯、全氟醚、N-乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、甲基丙烯酸縮水甘油酯和二甲基丙烯酸乙二醇酯中的一種或兩種以上的任意混合。

在本發(fā)明一個較佳實(shí)施例中，所述步驟（1）中的光子晶體粒子為二氧化硅、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、二氧化鈦、氧化鐵、四氧化三鐵、金和銀中的一種或兩種以上的任意組合。