量子点光纤的打印制作及其在光纤传感器中的应用基础研究

Due to quantum size effect，quantum confinement effect and surface effect, quantum dots exhibit many unique optical and electrical properties. As a kind of novel materials, they are being widely used in various optical fiber sensors. However, at present, there is no special quantum dots optical fiber to construct all fiber quantum dots sensors, and the emission wavelengths of the most quantum dots sensors are at visible band that is not compatible with the transmission window of the optical communication. To solve these problems, the polymer materials and PbSe quantum dots whose emission wavelength is at the near infrared band will be used to synthetize the printing materials, and the printing method will be used to fabricate the quantum dots optical fiber in room temperature. After the PbSe quantum dots fiber is fabricated, the fiber will be used in the fiber sensors to realize temperature measurement. In this research, we will not only explore a novel fabrication method of quantum dot optical fiber, but also provide theoretical and experimental guide for the application of the quantum dots optical fiber in fiber sensors.

量子点由于具有量子尺寸效应、量子限域效应和表面效应，表现出了许多独特的光学和电学性质，作为一种新型材料正逐步被应用于光纤传感器领域。本项目针对现有量子点光纤传感器中由于缺少专用量子点传感光纤而不易实现全光纤化集成以及传输光波长与光通信系统难以兼容的不足，拟通过将荧光波长位于近红外波段的PbSe量子点与聚合物基质材料混合制备出一种新型量子点打印材料，采用打印技术在常温状态下将该种材料打印成传感光纤，最终利用这种新型光纤完成光纤传感器的设计制作，实现温度传感。该项研究的开展可以探索出一种制作量子点光纤的新方法，为其在光纤传感器中的应用研究提供理论和实验指导。

本项目针对现有量子点光纤传感器中缺少专用量子点传感光纤，采用常温打印成型的方法制作出聚合物量子点传感光纤传感器；此外利用波长编码和多层打印技术，实现了一种基于量子点材料的光学防伪方法。具体研究内容如下：.1. 设计制备量子点打印材料和CeO2纳米传感材料.制备出了PbS量子点材料，该材料的荧光效率较PbSe量子点提高了近2个数量级，其荧光中心波长在1550nm附近可调谐。通过理论和实验研究，确定了量子点打印材料粘度在0～30cPs，表面张力在20～70dynes/cm范围最适宜打印。.用水热法合成出了CeO2纳米片层。随着反应温度的降低，纳米片层的形貌会产生变化。这些纳米材料发光强度随着氧空位含量的增加而增加。通过将该种材料与光纤结合，制作出了新型化学光纤传感器。.2. 探索一套采用打印技术制作光纤的新方法.通过在不同基底上进行量子点光纤的打印制作，通过多次、多层打印实现了低损耗量子点光纤制作。利用扫描电子显微镜、光谱仪及功率计，对打印出的量子点光纤形貌，荧光光谱和传输损耗进行了测试，打印出的量子点光纤在荧光波段传输损耗低于0.35dB/mm。.3. 量子点光纤传感器实验研究.利用打印出的量子点光纤实现了单点和多点温度传感。量子点光纤激发出的荧光中心波长对温度具有良好的线性响应，在20℃～70℃测试范围内，单点和多点量子点光纤温度传感器灵敏度均超过100pm/℃，且具有良好的重复性。.4.基于量子点材料的光学防伪技术研究.利用光学编码和多层打印技术制备出了毫米级尺度的量子点“隐形”防伪图标，当采用紫外光激发后，这些打印出防伪图标将发射出可见光，在不同的光学滤波器下将会呈现不同图案，在防伪领域具有广阔的应用前景。.项目的顺利开展将对突破目前量子点传感光纤制作方面的瓶颈，促进量子点材料在光纤传感和光学防伪等领域中的应用，具有重要理论和实验指导意义。