技术领域
[0001] 本
发明属于量子点发光和光纤领域，具体涉及一种用于荧光增强和荧光混合的量子点掺杂光纤光锥。
背景技术
[0002] 一般的
光源是由不同
波长的单色光所混合而成的复色光,在物理学里所谓的单色光是指具有单一波长不能再通过色散分解的电磁
辐射,在实际中，并没有任何光源能够制造出纯单色光，通常我们把发射的光波线宽非常窄的光也称为单色光。目前获得单色光源的主要手段有
激光器和单色仪，但激光器和单色仪所用设备复杂，价格昂贵，使用不便，并且激光器受其发射机理的限制，其波段比较单一，很难在宽波段范围实现可调谐。因此，一种应用方便灵活，安装调试简单、波段可调谐、发射
光谱窄的新型单色光源亟待研究。
[0003] 量子点是一种准零维
半导体纳米晶体,它的半径小于或接近于
激子玻尔半径。在量子点中，能级根据量子点的尺寸而改变，因此可以通过改变量子点的尺寸来控制带隙，从而控制量子点的发射光谱，量子点的发射光谱可
覆盖整个可见光区。其中高效率发射可见光的荧光量子点已经被成功合成(段红艳.高效荧光CdSe/ZnS、CdSexS1-x/ZnS核/壳量子点的合成及其LEDs器件应用.合肥工业大学，2013.)，并且量子点已得到应用(中国
专利CN201985423U，沈常宇等.一种可调谐量子点光纤激光器)。另外，研究表明了量子点可作为良好的光增益和放大介质。
[0004] 当前，量子点掺杂光纤被广泛研究，量子点的发光特性也在光纤中得到发挥，已在光纤激光器和光纤
放大器中有重要应用。中国专利CN1785861A(王廷
云；卢军；王克新，纳米量子点光纤及其制造方法)公布了一种量子点光纤制备方法，所制备的光纤具有较高的放大增益。
[0005] 普通光纤光锥由于具有良好的透光性，被广泛应用于可见光的
显示面板。利用光纤光锥可以对光源进行耦合增强，然而，关于量子点掺杂光纤光锥用于荧光增强和混合还未见相关报道。
发明内容
[0006] 为了解决现有单色光源技术复杂、造价昂贵，单根量子点掺杂光纤荧光效率低的问题，本发明的目的在于提供一种用于荧光增强和荧光混合的量子点掺杂光纤光锥，并且通过调整不同量子点掺杂光纤的比例，还可得到多种彩色光。
[0007] 本发明的目的通过以下技术方案实现：
[0008] 一种用于荧光增强和混合的量子点掺杂光纤光锥，分为单色荧光增强的量子点掺杂光纤光锥和彩色荧光的量子点掺杂光纤光锥，这两种光纤光锥都是由量子点掺杂光纤，制得光纤单丝，再由若干单丝拉制复丝，最后将复丝排屏熔压拉锥制备而成，锥体有两个直径大小不等的端面；其中大端面直径为3-10cm，小端面直径为0.5-1cm，光锥长度为2-10cm。所述复丝直径为0.7-1.5mm；所述光锥的锥度为3～15:1。
[0009] 所述量子点为PbS量子点，ZnS量子点或CdS量子点中的一种以上。
[0010] 所述量子点掺杂光纤的制备方法为先按摩尔比称取量子点掺杂光纤纤芯的原料，混合均匀，熔融保温，得到玻璃熔液；再将玻璃熔液置于已经预热的
钢板上进行淬冷，待冷却至室温后，切割、
抛光，得到圆柱形玻璃细棒即量子点掺杂玻璃光纤纤芯；将纤芯插入包层管中，得到预制棒；再将预制棒进行
拉丝，
热处理，得到量子点掺杂光纤。所述玻璃细棒的直径为为1-2mm；所述量子点掺杂光纤的直径为100-200μm。
[0011] 所述量子点掺杂光纤纤芯的原料摩尔比为SiO2：B2O3：Al2O3：CaCO3：Na2CO3：ZnS：PbO：PbS：ZnO：CdS＝60:16:4:10:10：x：y：z：a：b，其中x,y,z,a,b＝0～1，x,y,z,a,b不同时为0。
[0012] 所述熔融保温的
温度为1350℃，保温时间为1h。所述预热温度为300～400℃。
[0013] 所述包层管为
石英材料制备的中通式玻璃管。
[0014] 所述拉丝的条件为温度为700～1000℃，拉制速度为70r/min～100r/min。
[0015] 所述热处理的条件为于550～660℃热处理12～24小时。
[0016] 所述量子点掺杂光纤为相同量子点掺杂的光纤或不同量子点掺杂的光纤，根据所需单色而选择。通过改变原料中ZnS、PbO、PbS、ZnO、CdS的比例以及热处理温度就可得到含有不同种类或粒径的量子点的掺杂光纤。此光纤在激发光源激发下就可得到红、黄、绿色等荧光。
[0017] 所述单色荧光增强的量子点掺杂光纤光锥是将量子点掺杂光纤，通过选取量子点和调整量子点的含量，得到能够激发出相同单色荧光的光纤单丝；再将若干光纤单丝进行拉制复丝，得到相同单色光的复丝，再由相同单色光的复丝进行排屏熔压拉锥制备而成；
[0018] 所述排屏熔压拉锥具体是指将相同单色光的复丝以六方堆积的形式均匀整齐地排列于模具中；将已经排好复丝的模具放入
等静压成型机内进行熔压保温，降温，最后采用熔拉法进行拉锥，使得光锥的锥度为3～15:1。所述熔压保温的温度为550～600℃，所述保温时间为20～40min，所述降温速率为1℃/min。所述降温的温度为室温。
[0019] 所述彩色荧光的量子点掺杂光纤光锥是先将量子点掺杂光纤，通过选取不同量子点和调整量子点的含量，得到能够激发出不同单色荧光的光纤单丝；再将这些光纤单丝中能够激发出相同单色荧光的光纤单丝进行拉制复丝，分别得到不同单色光的复丝；最后将不同单色光的复丝进行混合排屏熔压拉锥制备而成。
[0020] 所述排屏熔压拉锥具体是指将不同单色光的复丝以六方堆积的形式均匀整齐地排列于模具中，不同单色光的复丝依次间隔排列；将已经排好复丝的模具放入等静压成型机内进行熔压保温，降温，最后采用熔拉法进行拉锥，使得光锥的锥度为3～15:1。所述熔压保温的温度为550～600℃，所述保温时间为20～40min，所述降温速率为1℃/min。所述降温的温度为室温。
[0021] 本发明采用量子点掺杂的光纤光锥，工作时，激发光源发出的光波由大端面入射到每根量子点掺杂光纤中，激发量子点发出相应荧光，此荧光再从光纤光锥小端面混合输出，这样，每根量子点掺杂光纤中被激发得到的单色荧光集成到小端面。如果所采用的量子点掺杂光纤种类相同，则在小端面得到增强单色光；如果所采用量子点掺杂光纤不同，则是由不同单色光混合而成，小端面所得为彩色光。
[0022] 本发明由于量子点掺杂光纤光锥的输出端面(即小端面处)可以拉制到很小，即使单根光纤的直径较大和被复合熔压的光纤较多时，也不会因为输出光斑面积过大而受到限制；采用的量子点掺杂光纤光锥用于发射和混合单色荧光。当应用于单色光源时，则要求所用量子点掺杂光纤全部相同，激发时所发射荧光全部相同；当应用于彩色光时，则要合理比例选用不同量子点掺杂光纤。还需考虑量子点掺杂光纤光锥的透光率和锥度范围，锥形部分发光区域面积要适当(太大
能量就不集中，并且向周围空间损失的可能性增大；太小又不利于耦合光纤接近它)；量子点掺杂光纤光锥的制备工艺和普通光纤光锥的制备工艺相同。
[0023] 本发明的优点为：本发明方便灵活、安装调试简单、输出光功率
密度高、输出光斑面积小、得到单色光纯度高；本发明解决了现有单色光源技术复杂、造价昂贵以及单根量子点掺杂光纤荧光效率低的问题，并且通过调整不同量子点掺杂光纤的比例，还可得到多种彩色光，可广泛应用于发光器件。
附图说明
[0024] 图1为
实施例1制备的量子点掺杂光纤光锥结构及原理示意图，其中101是激发光源，102是量子点掺杂光纤光锥，103是荧光；
[0025] 图2为实施例1～3制备的量子点掺杂光纤被激发光源激发时的光谱图；
[0026] 图3为实施例1、2在制备量子点掺杂光纤光锥时复丝排屏的示意图，其中图3a为实施例1复丝排屏的示意图，301是光纤单丝，302是能激发出红色荧光的复丝；图3b为实施例2复丝排屏的示意图，301是光纤单丝，302是能激发出红色荧光的复丝，303-能激发出绿色荧光的复丝。
具体实施方式
[0027] 下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细描述，但是本发明实施方式不限于此。
[0028] 实施例1
[0029] 一种用于荧光增强的量子点掺杂光纤光锥的制备方法：
[0030] (1)光纤单丝的制备：称取70g的量子点掺杂光纤的原料(SiO2：B2O3：Al2O3：CaCO3：Na2CO3：ZnS的摩尔比为60:16:4:10:10:1)，混合均匀，然后将其盛放在
坩埚中用玻璃熔炉于1350℃保温1小时，得到玻璃熔液；将玻璃熔液倒在预热温度为400℃的钢板上淬冷，冷却至室温后，再对玻璃进行切割、抛光，得到直径2mm的玻璃棒即量子点掺杂玻璃光纤的纤芯；再将纤芯插入石英材料制备的包层管中，然后用拉光纤机器拉制光纤，拉制条件为温度为800℃，拉制速度为100r/min，得到直径为100μm的量子点掺杂光纤单丝；掺杂光纤全部是在激发光源激发下发射红色光；其光谱图如图2所示；
[0031] (2)光锥的制备：将若干等长的量子点掺杂光纤单丝拉制复丝，复丝直径为1.0mm；再将复丝以六方堆积的形式均匀整齐地排列于模具中(复丝排屏的示意图如图3a所示，复丝在模具内紧密堆积排屏，使得相邻光纤之间的距离最紧密，减小了光纤束不发光的暗区面积，有利于提高光功率密度)，并将模具放入等静压成型机内于600℃进行熔压保温30min，再以1℃/min降温速率降温至室温，得到光纤复合丝棒；最后采用熔拉法进行拉锥(熔拉法的实施条件为：用熔锥炉对制得的光纤复合丝棒中部加热，温度为700℃，当光纤复合丝棒中段
软化时，对丝棒缓慢施加轴向拉
力，拉制时要注意对中间部位直径的测量，光纤复合丝棒中部被拉细，成
哑铃型，当中间细部直径拉到0.6cm时，停止加热。待光纤复合丝棒冷却至室温后，将其从中部截开)，使得光锥的锥度为15:1(大端面与小端面直径的比值)；拉锥后再对其端面进行打磨抛光处理，并对其周边进行精密光学加工，得到量子点掺杂光纤光锥(该光锥为实心光锥)。所述光锥锥体有两个直径大小不等的端面；其中小端面直径为0.6cm，光锥长度为10cm。
[0032] 本实施例制备的光纤光锥的结构与基本原理示意图如图1所示。图中可知，当用激发光源101照射量子点掺杂光纤光锥102时，量子点掺杂光纤发射红色荧光，此荧光再从光纤光锥小端面处输出，得到增强荧光103，这样，每根量子点掺杂光纤中被激发得到的荧光集成到小端面处，从而实现红色光的高效率耦合。所述量子点掺杂光纤光锥102由同种量子点掺杂光纤单丝301排屏先拉复丝302，然后对复丝排屏熔压得光纤面板，再用熔拉法对其拉锥，得量子点掺杂光纤光锥102。
[0033] 实施例2
[0034] 一种用于荧光混合的量子点掺杂光纤光锥的制备方法：
[0035] (1)能够激发出红色荧光光纤单丝和绿色荧光光纤单丝的制备：分别称取70g能够激发出红色荧光的量子点掺杂光纤的原料(SiO2：B2O3：Al2O3：CaCO3：Na2CO3：ZnS的摩尔比为60:16:4:10:10:1)和能够激发出绿色荧光的量子点掺杂光纤的原料(SiO2：B2O3：Al2O3：CaCO3：Na2CO3：ZnS：PbO的摩尔比为60:16:4:10:10:1:0.8)，分别混合均匀，然后将其盛放在2个坩埚中用玻璃熔炉于1350℃保温1小时，得到玻璃熔液；将玻璃熔液倒在预热温度为400℃的钢板上淬冷，冷却至室温后，再对玻璃进行切割、抛光，得到直径为1mm的玻璃棒即量子点掺杂玻璃光纤的纤芯；再将纤芯插入石英材料制备的包层管中，然后用拉光纤机器拉制光纤，拉制条件为温度为800℃，拉制速度为100r/min，分别得到能够激发出红色荧光的量子点掺杂光纤单丝和能够激发出绿色荧光的量子点掺杂光纤单丝；两种光纤单丝的直径为200μm；两种量子点掺杂光纤单丝在激发光源激发下分别发射红色和绿色荧光；其光谱图如图2所示；
[0036] (2)光锥的制备：将若干等长的能够激发出红色荧光的量子点掺杂光纤单丝和能够激发出绿色荧光的量子点掺杂光纤单丝分别拉制复丝，分别得到红色荧光复丝和绿色荧光复丝，复丝直径为1.0mm；再将数量相同的红色荧光复丝和绿色荧光复丝以六方堆积的形式均匀整齐地并依次间隔排列于模具中，(复丝排屏的示意图如图3b所示，复丝在模具内紧密堆积排屏，使得相邻光纤之间的距离最紧密，减小了光纤束不发光的暗区面积，有利于提高光功率密度)，并将模具放入等静压成型机内于600℃进行熔压保温30min，再以1℃/min降温速率降温至室温，得到光纤复合丝棒；最后采用熔拉法进行拉锥(熔拉法的实施条件为：用熔锥炉对制得的光纤复合丝棒中部加热，温度为700℃，当光纤复合丝棒中段软化时，对丝棒缓慢施加轴向拉力，拉制时要注意对中间部位直径的测量，光纤复合丝棒中部被拉细，成哑铃型，当中间细部直径拉到0.8cm时，停止加热。待光纤复合丝棒冷却至室温后，将其从中部截开)，使得光锥的锥度为5：1；拉锥后再对其端面进行打磨抛光处理，并对其周边进行精密光学加工，得到量子点掺杂光纤光锥(该光锥为实心光锥)。所述光锥锥体有两个直径大小不等的端面；其中小端面直径为0.8cm，光锥长度为6cm。
[0037] 本实施例制备的光锥的原理是：由于光锥由两种能够激发出不同荧光的光纤制备而成，当用激发光源照射光纤光锥时，能够激发出红色荧光的光纤发射红色荧光，能够激发出绿色荧光的光纤发射绿色荧光，这两种荧光再从光纤光锥小端面处一起输出，得到混合色光，这样，每根量子点掺杂光纤中被激发得到的荧光会聚到小端面处，从而实现红色光和绿色光的混合。
[0038] 实施例3
[0039] 一种用于荧光增强的量子点掺杂光纤光锥的制备方法：
[0040] (1)光纤单丝的制备：称取70g的量子点掺杂光纤的原料(SiO2：B2O3：Al2O3：CaCO3：Na2CO3：PbS的摩尔比为60:16:4:10:10:0.5)，混合均匀，然后将其盛放在坩埚中用玻璃熔炉于1350℃保温1小时，得到玻璃熔液；将玻璃熔液倒在预热温度为400℃的钢板上淬冷，冷却至室温后，再对玻璃进行切割、抛光，得到直径1.6mm的玻璃棒即量子点掺杂玻璃光纤的纤芯；再将纤芯插入石英材料制备的包层管中，然后用拉光纤机器拉制光纤，拉制条件为温度为800℃，拉制速度为100r/min，得到直径为100μm的量子点掺杂光纤单丝；掺杂光纤全部是在激发光源激发下发射黄色光；其光谱图如图2所示；
[0041] (2)光锥的制备：将若干等长的量子点掺杂光纤单丝拉制复丝，复丝直径为1.0mm；再将复丝以六方堆积的形式均匀整齐地排列于模具中(复丝排屏的示意图如图3a所示，复丝在模具内紧密堆积排屏，使得相邻光纤之间的距离最紧密，减小了光纤束不发光的暗区面积，有利于提高光功率密度)，并将模具放入等静压成型机内于600℃进行熔压保温30min，再以1℃/min降温速率降温至室温，得到光纤复合丝棒；最后采用熔拉法进行拉锥(熔拉法的实施条件为：用熔锥炉对制得的光纤复合丝棒中部加热，温度为700℃，当光纤复合丝棒中段软化时，对丝棒缓慢施加轴向拉力，拉制时要注意对中间部位直径的测量，光纤复合丝棒中部被拉细，成哑铃型，当中间细部直径拉到0.5cm时，停止加热。待光纤复合丝棒冷却至室温后，将其从中部截开)，使得光锥的锥度为10:1(大端面与小端面直径的比值)；拉锥后再对其端面进行打磨抛光处理，并对其周边进行精密光学加工，得到量子点掺杂光纤光锥(该光锥为实心光锥)。所述光锥锥体有两个直径大小不等的端面；其中小端面直径为0.5cm，光锥长度为6cm。
[0042] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理所作的改变、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。
