微结构聚合物光纤的制备及其应用基础研究
The Fabrication of Microstructured Polymeroptical Fiber and Its Applied Fundamental Studies
微结构光纤以其独特的结构特征和诸多新颖的光学特性,已成为纤维光学领域的重要组成部分。而微结构聚合物光纤的柔软性、易加工性等特点,已经成为聚合物光纤技术研究的热门课题。本文从微结构聚合物光纤的制备,孔道表面修饰,孔道填充到微结构聚合物光纤的应用(特别是在作为图像传递介质和化学传感介质的应用),进行了一系列的探索性研究。
第一章,简要的介绍了光纤技术的发展史,微结构光纤技术发展现状,以及光纤传像技术,光纤化学传感器的研究与发展现状。在此基础上,提出了本论文的研究意义和特色。
第二章,介绍了国际国内现有的微结构聚合物光纤制备方法。在比较了几种方法优缺点的基础上,提出了大尺寸微结构聚合物光纤预制棒制备的新方法-挤出成型法。研究了该方法制备大尺寸微结构光纤预制棒的工艺,以及该预制棒拉制成微结构保持完好的光纤所需的各种条件(温度、送棒速度、牵引速度等等)。
第三章,首先对自制的525孔四方排列,547孔六方排列的微结构光纤作为空气芯阵列光纤的传像特性进行了研究。然后在其孔道阵列中灌入高折射率液体,制备了具有传像功能的液芯阵列微结构光纤。研究结果证明:微结构光纤自身,以及液芯微结构光纤都具有传像功能。尤其是我们制备的液芯阵列微结构光纤,在世界上是首次报道,打破了液芯光纤不能传像的历史。
第四章,首先研制出带有传像功能的光纤传感探头。方法是将pH传感膜固定在自聚焦透镜的一个端面上,而它的另一端与塑料传像光纤束的一个端头紧密相连,成为能传感图像和pH值的双功能传感探头。将塑料传像光纤的另一头与激光器,CCD相机,改进的金相显微镜、光谱仪等组装,建立了完整的具有传像功能和pH值测定功能的双功能光学传感器演示系统。利用该系统,一方面可以解决传统pH计不能实现远距离测量,也无法进入生物体内实时测量的难题。另一方面,也解决了大的样品无法用显微镜直接观察的难点,同时为生物体,或其它难以到达之处等的pH值测量,提供实时的图像信息。我们应用此系统成功的测量了金属腐蚀过程,所测数据表明,在pH2.0缓冲溶液中,铁制螺丝钉表面的pH值比其缓冲溶液高0.2个pH,而覆盖有较厚铁锈的螺丝钉表面pH值比其缓冲溶液高0.65个pH。在pH2.9缓冲溶液中,铁钉表面的pH值比缓冲溶液提升了0.16个pH值,而铁锈表面的pH值比缓冲溶液提升了0.9个pH值。
在第五章中,在第四章已经建立的双功能光学传感器演示系统的基础上,又提出了研发锌离子传感器的新思路。我们选用了极其普通的染料罗丹明B和PAN联合作为指示剂,取代了昂贵的锌离子敏感的荧光染料,并把该联合指示剂固定在适当的传感膜中。该传感膜的制备是一个技术难点。常用的如纤维素膜和传统的酸催化的sol-gel膜都不适合作锌离子指示剂支撑膜。我们首次尝试采用碱催化法制备sol-gle膜,并加入两种偶联剂对其改性,使制得的传感膜一方面适合于锌离了的检测,另一方面又与玻璃结合牢固。此系统在锌离子浓度为0.1到1 mmol/L时,存在较好的线性关系；且该系统可以同时用于可视化监测,图像的分辨率为18.731p/mm。
在第六章中,设计了一种新颖的微结构光纤二氧化碳传感器。以具有547孔的微结构光纤作为二氧化碳气体传感器的基质材料。在其内表面修饰二氧化碳传感膜--苯酚红与十六烷基三甲基氢氧化铵形成的离子对的乙基纤维素膜。在该传感器中,微结构光纤一方面起到传光的作用,另一方面也作为气体的传输通道和反应室,通过离子对的颜色变化实现对二氧化碳浓度的检测。这种结构不仅使传感探头的结构微小化,紧凑化,而且获得了较大的传感膜面积。除此之外,此气体传感器可分别采用自动和手动进气,使用灵活方便。经过对二氧化碳的响应能力进行考察,此传感器性能稳定、重复性好。
在第七章,对博士研究期间的工作进行了总结,并对今后的发展提出了展望。
- 作者：
- 汪舰
- 学位授予单位：
- 中国科学院研究生院
- 专业名称：
- 光学
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2010年
- 导师姓名：
- 王丽莉
- 中图分类号：
- TN253；TP212
- 关键词：
- 微结构聚合物光纤；空心阵列传像光纤；液芯阵列传像光纤；光纤传感器
-
- 基金项目：
- 863项目%国家自然科学