[发明专利]微纳纤维线圈电纺直写装置

说明书

技术领域

本发明涉及电纺直写装置，尤其是涉及一种适用于微纳纤维线圈谐振器的微纳纤维线圈电纺直写装置。

背景技术

基于微纳纤维的谐振器，尤其是品质因子（Q值）好的谐振器，在非线性光学，光学传感以及通讯等领域得到越来越多的关注。与传统的半导体谐振器相比，基于微纳纤维的谐振器具有低波导传输损耗，良好适应性，低耦合损耗，连接方便等有点，如，理论上能反映低波导传输损耗的Q值可以达到4×10¹⁰([1]M.Sumetsky.Optical fiber microcoil resonator[J].Opt.Express,2004,12(10),2303–2316.)。一般来说，基于微纳纤维的谐振器有三种结构：环形谐振器（MLR）、结节谐振器（MKR）和线圈谐振器（MCR）。其中MCR由于高Q值而有特殊的研究地位。目前研究的直径20mm轴棒双环MCR的Q值可以达到220000([2]Y.Jung,G.S.Murugan,G.Brambilla,and D.J.Richardson.Embedded optical microfiber coil resonator with enhanced high-Q[C].IEEE Photon.Technol.Lett.,2010,22(22),1638–1640.)。影响MCR的主要因素有三个：一是环程损耗，二是平均耦合参数，三是MCR轴棒上的环数。环程损耗由微纳纤维的传播损耗和基材轴棒的吸收损耗引起，环程损耗越大，MCR的Q值越小。平均耦合参数K=2πRκ，R是线圈半径，κ为相邻线圈耦合系数（取决于线圈直径和相邻线圈间距），平均耦合参数足够大，才能获得大的Q值。当耦合参数和线圈个数一定时，Q值与线圈直径成正比。然而如果要减小谐振器的尺寸，那就意味着要减小线圈直径，那就只能通过增大耦合参数，那么相邻线圈之间的间距要减小，增大了制造的难度。

由于在线圈间距固定的时候光更可能发生空腔谐振，所以微纳纤维由多线圈组成的MCR可以获得更大的Q值。所以获得大间距，多线圈的MCR便是研究制备装置的重点。

静电纺丝能克服传统微纳制备方法中存在的诸如成本过高，生产效率低，位置难以控制等缺点，具有设备简单、操作方便、材料适用性强、可喷印溶液粘度高等优点，而且有较好的制备连续性，制备出的纤维不但连续而且长度较长（能达到几厘米甚至是几米），均匀性好，能够在许多材料的溶液下进行纺制，也可以在材料的熔融状态下进行纺制。但传统的静电纺丝技术有着一个比较突出的缺点——射流鞭动效应带来的沉积形状的不确定性([3]D.H.Reneker,A.L.Yarin,H.Fong,S.Koombhongse.Bending Instability of Electrically Charged Liquid Jets of Polymer Solutions in Electrospinning[J].J.Applied Phys.2000,87(9):4531-4547)。为了克服这种运动的不确定性，在这里引入近场直写技术，也就是缩短喷头与收集板之间的距离，利用射流鞭动前一段相对稳定、直线性较好的射流，从而可以制出均匀并且图案化的效果([4]D.H.Sun,C.Chang,S.Li,L.W.Lin.Near-Field Electrospinning[J].Nano Lett.2006,6(4):839-842)。通过对实验中各个参数的控制，可以达到对制备纤维直径与间距等沉积效果的控制。

结合MCR理论基论以及传统制备工艺和近场直写技术：利用近场直写将微纳纤维直接制备出，沉积在基材轴棒上，通过对三维运动平台、旋转电极以及各个工艺参数的控制，而控制最终的沉积效果，可以制备连续的、多线圈、间距形貌均匀的微纳纤维线圈谐振器。

目前尚未发现适用于微纳纤维线圈谐振器的微纳纤维线圈电纺直写装置的有关报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于微纳纤维线圈谐振器，可制备连续、多圈、间距形貌均匀的微纳纤维线圈的微纳纤维线圈电纺直写装置。

本发明设有喷头、供液泵、供液管道、Z轴直线电机、X轴直线电机、Y轴直线电机、旋转电机支架、旋转电机、收集轴棒、集成高压电源、CCD显微镜和计算机；