金属毛细管环烯烃聚合物电介质膜太赫兹空芯光纤及制备

摘要

本发明公开了一种金属毛细管/环烯烃聚合物电介质膜太赫兹空芯光纤及其制备方法，其制备方法包括如下步骤：将环烯烃聚合物溶解于甲苯溶剂中配制溶液；将溶液注入金属毛细管内，控制甲苯溶液从底端流出使甲苯溶液液面匀速下降，在金属毛细管内壁上形成环烯烃聚合物厚液膜；待甲苯溶液排出后将金属毛细管浸入异性溶剂中，环烯烃聚合物厚液膜中的甲苯溶剂分子扩散至异性溶剂中，在金属毛细管内壁上形成环烯烃聚合物电介质膜；向金属毛细管内通入氮气或空气缓慢干燥，获得金属毛细管/环烯烃聚合物电介质膜太赫兹空芯光纤。该光纤的低损耗窗口的位置可以通过改变环烯烃聚合物电介质膜的厚度进行调节，从而实现不同频率太赫兹波的传输。

说明书

技术领域

本发明涉及光电子材料和器件领域，尤其涉及一种金属毛细管/环烯烃聚合物(COC)电介质膜太赫兹空芯光纤及制备方法。

背景技术

太赫兹(Terahertz,THz)波是指频率在0.1～10THz(波长30～3000μm)范围内的电磁波，又称为远红外射线。THz波除了在物理、化学、天文学、生命科学等基础领域具有重大的科学研究价值之外，在室内短距离无线通信、卫星通信、医学成像、环境监测、射电天文和军用雷达等应用研究领域也具有广阔应用前景。由于缺乏有效的THz波导传输技术，目前大多数太赫兹系统都只能在自由空间中处理THz波。这些系统占用空间大、功率消耗高、受环境影响大、性能稳定性差、使用校准难度大，严重限制了其应用和推广。研究有效的THz波导传输手段，已经成为搭建多功能、高可靠性、低能耗、易操作、易维护和易携带的新型“柔性化”太赫兹器件的关键。

近年来人们提出了传输太赫兹波的各种光纤结构，包括金属波导、玻璃或塑料毛细管/金属镀层/电介质膜空芯波导、塑料或硅介质空芯微结构带隙波导和塑料介质实芯、多孔或空芯管波导。这些波导有的结构复杂，难以调控制备；有的材质为玻璃或塑料，难以与太赫兹源或探测器紧固连接，使用中对焦稳定性差。由于这些原因，如何研制出结构更简单、制备工艺更简便、与太赫兹源或探测器连接兼容性更好的太赫兹光纤结构仍然是该领域国内外最为关注的热点问题之一。

为了克服现有技术中的这些缺陷，本发明提出了一种金属毛细管/环烯烃聚合物(COC)电介质膜太赫兹空芯光纤及其制作方法。该光纤包括金属毛细结构管及其内表面上的电解质反射膜。在传统的金属/电解质膜太赫兹空芯光纤结构中，一般是使用玻璃或塑料毛细管作为结构管，再通过银镜反应在管内表面上制备金属银反射层，最后再在银膜表面形成聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚四氟乙烯等聚合物电介质反射膜。发明中使用金属毛细管代替传统的玻璃或塑料结构管，同时金属毛细管的内表面直接代替传统金属镀银反射膜，结构更简单。此外，本发明还提出了在金属毛细管内制备均匀聚合物电介质膜的方法及装置。该方法与传统的真空泵抽吸或蠕动泵推动聚合物溶液在毛细管内流动成膜工艺相比，在膜的厚度和均匀性控制方面更容易操控。

发明内容

本发明还提出了一种金属毛细管/环烯烃聚合物电介质膜太赫兹空芯光纤的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：将环烯烃聚合物溶解于甲苯溶剂中，配制重量百分比为10-35％的溶液；

步骤二：将环烯烃聚合物的甲苯溶液注入竖立的金属毛细管内，控制溶液从所述金属毛细管的底端流出使溶液液面匀速下降，在所述金属毛细管内壁上形成环烯烃聚合物溶液液膜；

步骤三：待环烯烃聚合物的甲苯溶液排出后将所述金属毛细管浸入异性溶剂中，所述环烯烃聚合物溶液液膜中的甲苯溶剂分子扩散至所述异性溶剂中，在所述金属毛细管内壁上形成凝固膜；步骤四：向液膜凝固后的金属毛细管内通入洁净的氮气或空气缓慢干燥，流量1-10ml每分钟，持续时间12-24小时，获得金属毛细管/环烯烃聚合物电介质膜太赫兹空芯光纤。

本发明提出的所述金属毛细管/环烯烃聚合物电介质膜太赫兹空芯光纤的制备方法中，所述异性溶剂不能溶解环烯烃聚合物，但能与甲苯混溶；所述异性溶剂包括乙醇或丙酮。

本发明提出的所述金属毛细管/环烯烃聚合物电介质膜太赫兹空芯光纤的制备方法中，所述金属毛细管的清洗，包括如下步骤：

步骤a：向所述金属毛细管内通入乙醇或丙酮，流量每分钟5ml，持续时间30分钟；

步骤b：向所述金属毛细管内通入去离子水，流量每分钟10ml，持续时间30分钟；

步骤c：向所述金属毛细管内吹入洁净的氮气或空气，流量每分钟60ml，持续时间30分钟。

本发明提出的所述金属毛细管/环烯烃聚合物电介质膜太赫兹空芯光纤的制备方法中，可通过调节所述环烯烃聚合物溶液的浓度以及金属杆恒速下降拉动活塞下行的速度调节所述环烯烃聚合物介质膜的厚度。

本发明还提出了一种所述制备方法制成的金属毛细管/环烯烃聚合物电介质膜太赫兹空芯光纤，其特征在于，所述金属毛细管内具有所述环烯烃聚合物电介质膜，所述太赫兹空芯光纤的低损耗窗口的位置随所述环烯烃聚合物电介质膜的厚度改变，从而实现不同频率THz波的传输。

本发明还提出了一种金属毛细管/环烯烃聚合物电介质膜太赫兹空芯光纤的制备装置，具有：活塞套管，其上部固定所述金属毛细管并与其连通；设置于所述活塞套管内部的活塞；及与所述活塞连接的恒速驱动部件；所述恒速驱动部件驱使所述活塞以恒速下降，使所述甲苯溶液液面匀速下降。

本发明的有益效果在于：本发明中使用金属毛细管代替传统的玻璃或塑料结构管，同时金属毛细管的内表面直接代替传统金属镀银反射膜，结构更简单。光纤的电介质膜材料使用一种新型环烯烃光学聚合物COC。金属结构管良好的导热和散热性能能使所提出的太赫兹光纤还具有传输高功率太赫兹波的潜力。本发明所提出的太赫兹空芯光纤的以金属毛细管为主体结构，韧性好，机械强度高，能通过焊接或在金属毛细管一端的外表面上所开的螺纹丝口与太赫兹发生器以及探测器的相关金属部件稳固连接，提高设备运行的可靠性。此外，本发明还提出了在金属毛细管内制备均匀聚合物电介质膜的方法及装置。该方法与传统的真空泵抽吸或蠕动泵推动聚合物溶液在毛细管内流动成膜工艺相比，在膜的厚度和均匀性控制方面更容易操控。

附图说明

图1为本发明金属毛细管/电介质膜太赫兹空芯光纤的结构示意图。

图2为本发明金属毛细管/环烯烃聚合物电介质膜太赫兹空芯光纤的制备装置图。

图3为实施例1中本发明铜毛细管/环烯烃聚合物电介质膜太赫兹空芯光纤的损耗谱。

图4为实施例2中本发明铝毛细管/环烯烃聚合物电介质膜太赫兹空芯光纤的损耗谱。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

如图1所示，本发明的金属毛细管/环烯烃聚合物电介质膜太赫兹空芯光纤用于实现太赫兹波的光纤传输，金属毛细管/环烯烃聚合物电介质膜太赫兹空芯光纤包括金属毛细管1、电介质反射膜2与空芯区3。金属毛细管1构成太赫兹空芯光纤的主体结构，环烯烃聚合物电介质反射膜2覆盖在金属毛细管1的内壁上，空芯区3即为反射膜2在金属毛细管1内围成的空间。太赫兹波在金属毛细管1和电介质反射膜2以及和空芯区3的界面上形成反射，以空芯区3内部的空气或氮气作为介质实现光纤传输。

其中，金属毛细管1主要包括不锈钢毛细管、镍毛细管、镍铬毛细管、铜毛细管、铝毛细管、钛毛细管。金属制成的毛细管1和相同或近似几何尺寸的传统玻璃或塑料毛细管相比具有较高的断裂韧性和散热性能。电介质反射膜2为环烯烃聚合物(COC)反射膜。

本发明利用活塞式可控降液镀膜法(包括异性溶剂辅助快速凝固)制作金属毛细管/环烯烃聚合物电介质膜太赫兹空芯光纤的方法中，使用的金属毛细管1可以是不锈钢毛细管、镍毛细管、镍铬毛细管、铜毛细管、铝毛细管、钛毛细管，基于金属材料机械强度、弯曲韧性、太赫兹波传输损耗以及制备工艺要求设计确定金属毛细管的空芯直径在1-5毫米，壁厚20-200微米，长度10-200厘米为佳。

本发明中对金属毛细管的清洗包括三个步骤及相应工艺参数：

步骤a：向金属毛细管内通入乙醇或丙酮，流量每分钟5ml，持续时间30分钟

步骤b：向金属毛细管内通入去离子水，流量每分钟10ml，持续时间30分钟

步骤c：向金属毛细管内吹入洁净的氮气或空气，流量每分钟60ml，持续时间30分钟

本发明中金属毛细管/环烯烃聚合物电介质膜太赫兹空芯光纤制备包括以下三个步骤及相应工艺参数：

步骤一：将环烯烃聚合物溶解于甲苯溶剂中，配制重量百分比为10-35％的溶液。

步骤二：将环烯烃聚合物的甲苯溶液注入竖立的金属毛细管内，控制甲苯溶液从所述金属毛细管的底端流出使溶液液面匀速下降，在所述金属毛细管内壁上形成环烯烃聚合物溶液液膜。

步骤三：待环烯烃聚合物的甲苯溶液排出后将所述金属毛细管浸入异性溶剂中，所述环烯烃聚合物溶液液膜中的甲苯溶剂分子扩散至所述异性溶剂中，在所述金属毛细管内壁上形成凝固膜；步骤四：向液膜凝固后的金属毛细管内通入洁净的氮气或空气缓慢干燥，流量1-10ml每分钟，持续时间12-24小时。

为了制备金属毛细管/环烯烃聚合物电介质膜太赫兹空芯光纤，本发明创新地提出了一种制备装置。该制备装置具有：活塞套管，其上部固定所述金属毛细管并与其连通；设置于所述活塞套管内部的活塞；及与所述活塞连接的恒速驱动部件；所述恒速驱动部件驱使所述活塞以恒速下降，使所述环烯烃聚合物的甲苯溶液液面匀速下降。参阅图2，将金属毛细管与活塞套管的顶部相连通，活塞下端与活塞连接。把环烯烃聚合物溶液注入活塞套管内，开动恒速驱动部件的马达使活塞上升推动活塞将溶液注满金属毛细管。然后使金属杆恒速下降拉动活塞下行，毛细管内溶液液面将匀速下降。根据流体力学理论，在管内壁上将形成一层均匀的环烯烃聚合物溶液液膜。将金属毛细管取下并迅速浸入一垂直放置、且盛有不溶解环烯烃聚合物但能与甲苯混溶的异性溶剂中，如乙醇或丙酮。环烯烃聚合物液膜中的甲苯溶剂分子快速扩散进入异性溶剂中，使液膜迅速凝固并将液膜的均匀形态保持下来。

可通过控制步骤一中环烯烃聚合物溶液的浓度以及步骤二中金属杆恒速下降拉动活塞下行的速度(5-100cm每分钟)制备不同环烯烃聚合物溶液液膜，从而制备具有不同厚度环烯烃聚合物电介质膜的金属毛细管太赫兹光纤，实现不同频率THz波的传输。

实施例1

本具体实施例选用内直径1毫米，壁厚50微米，长度2米的铜毛细管作光纤的主体结构。依次用乙醇和水清洗铜毛细管后，向管内吹入洁净的氮气，流量每分钟60ml，持续时间30分钟。

将COC溶解于甲苯溶剂中，配置重量百分比为10％的溶液。按图2中装置示意图连接铜毛细管，然后将COC的甲苯溶液注入形如注射器的活塞套管内，开动恒速马达使金属杆上升推动活塞将溶液注满金属毛细管。然后使金属杆以50cm每分钟的速度恒速下降拉动活塞下行，毛细管内液面匀速下降，在管内壁上将形成一层均匀的COC溶液液膜。将金属毛细管取下并迅速浸入一垂直放置且盛有不溶解COC但能与溶液溶剂混溶的乙醇中。COC溶液液膜中的甲苯溶剂分子快速扩散进入异性溶剂中，使液膜迅速凝固并将液膜的均匀形态保持下来。10分钟后取出毛细管，向管内通入洁净的空气缓慢干燥，流量2ml每分钟，持续干燥15小时后得到铜毛细管/COC电介质膜太赫兹空芯光纤。

所制备的铜毛细管/COC电介质膜太赫兹空芯光纤的COC膜厚度约为6微米，参阅图3，根据射线模型预测(2.8度发散角)其在1.5-10太赫兹(30-200微米)范围有低损耗窗口，损耗值在0.47～3.3dB/m。

实施例2

本具体实施例选用内直径1.5毫米，壁厚200微米，长度30厘米的铝毛细管作光纤的主体结构。依次用乙醇和水清洗铜钛毛细管后，向管内吹入洁净的氮气，流量每分钟60ml，持续时间30分钟。

将COC溶解于甲苯溶剂中，配置重量百分比为31％的溶液。按图2中装置示意图连接铝毛细管，然后将COC的甲苯溶液注入形如注射器的活塞套管内，开动恒速马达使金属杆上升推动活塞将溶液注满金属毛细管。然后使金属杆以15cm每分钟的速度恒速下降拉动活塞下行，毛细管内液面将下降，在管内壁上将形成一层COC溶液液膜。将铝毛细管取下并迅速浸入一垂直放置且盛有不溶解COC但能与甲苯溶剂混溶的丙酮中。COC溶液液膜中的甲苯溶剂分子快速扩散进入丙酮中，使液膜迅速凝固并将液膜的均匀形态保持下来。10分钟后取出毛细管，向管内通入洁净的空气缓慢干燥，流量3ml每分钟，持续干燥15小时后得到铝毛细管/COC电介质膜太赫兹空芯光纤。

所制备的铝毛细管/COC电介质膜太赫兹空芯光纤的COC膜厚度约为15微米，参阅图4，根据射线模型预测(4度发散角)其在1.5-10太赫兹(30-200微米)范围有两个低损耗窗口，损耗值在0.42～1.4dB/m。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。