阅读说明：本技术 一种同步探测光电化信号的复合玻璃光纤及其制备方法 (Composite glass optical fiber for synchronously detecting photoelectric signals and preparation method thereof ) 是由 周时凤 戴毅 杜明辉 张伟达 蓝碧蛟 李佳熙 于 2019-10-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种同步探测光电化信号的复合玻璃光纤及其制备方法。该复合玻璃光纤,结构包括玻璃包层,导光玻璃纤芯,导电金属芯和贵金属微纳颗粒端面；其中导光玻璃光纤芯层位于光纤轴线处,导电金属芯位于导光玻璃芯与外包层中间区域。本发明可用于实现光信号、电信号和化学信号的高效传输与记录,这种复合玻璃光纤有望在神经科学、生物传感、环境监测等领域获得广泛应用。与目前的玻璃光纤和石英光纤对比,本发明的复合玻璃光纤具备光功能、电功能、化学探测功能,与聚合物光纤相比,本发明的复合玻璃光纤机械强度高,折射率分布均匀,光斑较小,透光性能良好。(The invention discloses a composite glass optical fiber for synchronously detecting photoelectric signals and a preparation method thereof. The composite glass fiber structurally comprises a glass cladding, a light guide glass fiber core, a conductive metal core and a noble metal micro-nano particle end face; the light guide glass optical fiber core layer is positioned at the axis of the optical fiber, and the conductive metal core is positioned in the middle area between the light guide glass core and the outer cladding layer. The composite glass fiber can be used for realizing the high-efficiency transmission and recording of optical signals, electric signals and chemical signals, and is expected to be widely applied in the fields of neuroscience, biosensing, environmental monitoring and the like. Compared with the existing glass fiber and quartz fiber, the composite glass fiber provided by the invention has the advantages of optical function, electric function and chemical detection function, and compared with polymer fiber, the composite glass fiber provided by the invention has the advantages of high mechanical strength, uniform refractive index distribution, small light spot and good light transmittance.)

一种同步探测光电化信号的复合玻璃光纤及其制备方法

技术领域

本发明涉及光纤材料制备技术领域，尤其涉及一种同步探测光电化信号的复合玻璃光纤及其制备方法。

背景技术

光纤材料广泛应用于光通信、光纤激光、非线性光学、化学传感、生物医学、神经科学等领域。随着社会的发展以及材料加工技术的进步，人们对具有多种功能复合的光纤材料的需求也随之增加。因此，集成具有光、电、磁或化学等功能的材料到一根光纤中，以实现单根光纤的多功能化成为光纤材料发展的一个重要方向。

在光遗传学技术中，光纤材料作为其中一个重要的器件对神经科学的发展具有重要影响。目前，光遗传学中常用的光纤是商用的石英光纤，这种光纤仅可以导光，光刺激产生的电信号需要另外植入电极材料进行记录，这增加了活体动物的伤口面积和手术的难度。因此，急需开发一种可以同时导光和记录电信号的光纤器件。基于此，本发明提供了一种复合玻璃光纤的制备方法，所得到的复合玻璃光纤不仅可以实现导光和导电的功能，还具有化学探测功能，可以同步探测物质的成分以及浓度。这种复合玻璃光纤有望在神经科学、生物传感、环境监测等领域获得广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种同步探测光电化信号的复合玻璃光纤及其制备方法。本发明复合玻璃光纤能够同时传递光信号、电信号和化学信号，能在神经科学、生物传感、环境监测等领域获得广泛应用。

本发明通过下述技术方案实现：

一种同步探测光电化信号的复合玻璃光纤制备方法，包括如下步骤：

光纤包层1制备，即将玻璃材料制备成圆柱形预制棒；在圆柱形预制棒内预制一个第一圆柱空腔，在该第一圆柱空腔的两侧分别预制一个第二圆柱空腔，完成光纤包层1制备；第一圆柱空腔的轴线与圆柱形预制棒的轴线同轴；位于两侧的第二圆柱空腔的轴线与第一圆柱空腔的轴线平行；玻璃纤芯初级预制棒制备，即将玻璃纤芯材料制备成圆柱形玻璃纤芯2，其直径与光纤包层1中的第一圆柱空腔直径相同；将圆柱形玻璃纤芯2置于第一圆柱空腔内，获得含有玻璃纤芯的初级预制棒；将作为电极3的金属材料，分别置于初级预制棒的两个第二圆柱空腔中，然后在拉丝塔连续拉制光纤，获得光电复合玻璃光纤；截取一段光电复合玻璃光纤，然后对其中一个截断的端面加工出粗糙结构面4，然后在粗糙结构面4上镀一层贵金属纳米颗粒层，即可获得能够探测光信号、电信号和/或化学信号的多功能复合玻璃光纤器件。

所述粗糙结构面4为条纹状或者颗粒状；第一圆柱空腔与第二圆柱空腔距离间隔为2～3mm。

所述在拉丝塔连续拉制光纤，是指在拉丝塔上以600℃～1800℃的温度下连续拉制。

所述第一圆柱空腔深度小于或者等于圆柱形预制棒长度，第二圆柱空腔的深度≤圆柱形预制棒长度。

所述玻璃纤芯的材料折射率大于光纤包层1的材料折射率；玻璃纤芯材料的拉丝温度小于或者等于光纤包层1的拉丝温度；所述复合玻璃光纤的直径为50μm～2mm。

所述光纤包层1材料为K9玻璃、磷酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃或者石英玻璃。

所述玻璃纤芯材料为ZF1型玻璃、锂硼玻璃、磷酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃或者多组分玻璃。

所述电极3的金属材料为钨、钼、铂、金、银、铝、铜或者铁；所述贵金属纳米颗粒层中的金属材质为金或者银。

所述第一圆柱空腔和第二圆柱空腔内壁，以及圆柱形玻璃纤芯2表面均进行抛光处理。

该复合玻璃光纤可作为光学信号、电学信号和/或化学信号探测的探测器件。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

(1)本发明使用的包层和纤芯材料均为玻璃材料，折射率分布差异小，透光性能良好，且具有良好的机械新能和可加工性能。

本发明在光纤的同一端面设置有贵金属纳米颗粒层，使该器件具有增强探测拉曼和红外信号的作用，从而传递化学信号，如物质的成分，浓度等。

(2)本发明的复合玻璃光纤中的电极材料为导电性能优越的金属导体电极，而传统的电极材料都是导电性较差的有机电极或半导体材料。

(3)本发明制备得到的玻璃光纤器件可以同时实现光信号、电信号和化学信号的同步高效传输与记录，一根光纤可以同时监测光信号、电信号、和化学信号，成功实现了光功能、电功能和化学功能的有效集成。

(4)本发明可以将多种金属材料直接复合到玻璃光纤材料中，并且金属电极的数量可控，可得到多金属电极玻璃光纤。

(5)本发明提供的一种多功能复合玻璃光纤，光纤的尺寸可以通过调节拉丝工艺控制，通过高温拉丝塔可以拉制大批量玻璃光纤。

(6)与目前的玻璃光纤和石英光纤对比，本发明的复合玻璃光纤具备光功能、电功能、化学探测功能，与聚合物光纤相比，本发明的复合玻璃光纤机械强度高，折射率分布均匀，光斑较小，透光性能良好。

附图说明

图1为本发明同步探测光电化信号的复合玻璃光纤结构示意图。

具体实施方式

如图1所示。本发明公开了一种同步探测光电化信号的复合玻璃光纤制备方法，可通过如下工艺制得：

光纤包层1制备，即将玻璃材料制备成圆柱形预制棒；在圆柱形预制棒内预制一个第一圆柱空腔，在该第一圆柱空腔的两侧分别预制一个第二圆柱空腔，完成光纤包层1制备；第一圆柱空腔的轴线与圆柱形预制棒的轴线同轴；位于两侧的第二圆柱空腔的轴线与第一圆柱空腔的轴线平行；玻璃纤芯初级预制棒制备，即将玻璃纤芯材料制备成圆柱形玻璃纤芯2，其直径与光纤包层1中的第一圆柱空腔直径相同；将圆柱形玻璃纤芯2置于第一圆柱空腔内，获得含有玻璃纤芯的初级预制棒；将作为电极3的金属材料，分别置于初级预制棒的两个第二圆柱空腔中，然后在拉丝塔连续拉制光纤，获得光电复合玻璃光纤；截取一段光电复合玻璃光纤，然后对其中一个截断的端面加工出粗糙结构面4，然后在粗糙结构面4上镀一层贵金属纳米颗粒层，即可获得能够探测光信号、电信号和/或化学信号的多功能复合玻璃光纤器件。

贵金属纳米颗粒层，独特的表面等离子体共振特性，增强拉曼散射等作用。

所述粗糙结构面4为条纹状或者颗粒状；第一圆柱空腔与第二圆柱空腔距离间隔为2～3mm。

所述在拉丝塔连续拉制光纤，是指在拉丝塔上以600℃～1800℃的温度下连续拉制。

所述第一圆柱空腔深度小于或者等于圆柱形预制棒长度，第二圆柱空腔的深度≤圆柱形预制棒长度。

所述玻璃纤芯的材料折射率大于光纤包层1的材料折射率；形成具有导光效果的同心圆柱状光纤。

玻璃纤芯材料的拉丝温度小于或者等于光纤包层1的拉丝温度；所述复合玻璃光纤的直径为50μm～2mm。

所述光纤包层1材料为K9玻璃(冕牌玻璃中的一种)、磷酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃或者石英玻璃。

所述玻璃纤芯材料为商用ZF1型玻璃(重火石玻璃中的一种)、锂硼玻璃、磷酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃或者多组分玻璃。

所述电极3的金属材料为钨、钼、铂、金、银、铝、铜或者铁；所述贵金属纳米颗粒层中的金属材质为金或者银。

所述第一圆柱空腔和第二圆柱空腔内壁，以及圆柱形玻璃纤芯2表面均进行抛光处理。

该复合玻璃光纤可作为光学信号、电学信号和/或化学信号探测的探测器件。

下面通过一个实施例对本发明作进一步描述：

(1).首先选取一根直径为30mm，长度为10cm的K9玻璃棒作为光纤包层的预制棒。预制棒中加工有与预制棒同轴的直径为3mm、深度6cm的圆柱空腔，作为第一圆柱空腔；第一圆柱空腔两侧加工出两个直径为3mm、深度为6cm的圆柱空腔，作为第二圆柱空腔。第一和第二圆柱空腔壁均进行抛光处理。第一圆柱空腔的轴线与圆柱形预制棒的轴线同轴；位于两侧的第二圆柱空腔的轴线与第一圆柱空腔的轴线平行；第一和第二圆柱空腔距离间隔约为2-3mm。

(2).取一根直径为3m、长度为6cm的ZF1玻璃棒作为玻璃纤芯材料，对其表面抛光处理，将其放置于第一圆柱空腔内。

(3).将钨丝填充到第二圆柱空腔内，并在拉丝塔上930℃～960℃下连续拉制光纤，得到光电复合玻璃光纤；光电复合玻璃光纤的端面结构如图1所示，由图可知，光纤结构完好，电极材料很好的复合到了玻璃光纤中。

(4).截取(约5cm)一段步骤(3)中制备得到的光电复合玻璃光纤，在其一端面上加工出粗糙的条纹(另一端面不加工)，然后在有条纹的光纤端面上镀一层金或者银纳米颗粒，即可得到能够作为同时探测光信号、电信号、化学信号复合的多功能玻璃光纤器件。

如上所述，便可较好地实现本发明。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。