光譜儀助力可穿戴光致變色光纖研究，開啟智能應(yīng)用新時(shí)代

隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，智能纖維與紡織技術(shù)的融合愈發(fā)緊密?？纱┐髟O(shè)備對(duì)柔軟、透氣和舒適的要求日益提高，變色纖維作為一種新型交互界面嶄露頭角。它打破了傳統(tǒng)硬式交互界面的局限，具有良好的透氣性和耐磨性，能適應(yīng)不規(guī)則的人體形狀，可直接集成到日常衣物中，成為 “隱形” 的交互界面。在眾多變色纖維中，發(fā)光變色纖維因能獨(dú)立發(fā)光、不受環(huán)境亮度影響而備受關(guān)注，被視為實(shí)現(xiàn)可穿戴設(shè)備顯示和交互功能的理想選擇。然而，傳統(tǒng)的發(fā)光變色纖維存在發(fā)光均勻性差等問(wèn)題，限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。因此，研發(fā)新型的可穿戴光致變色光纖，實(shí)現(xiàn)均勻且可定制的光效果，成為了該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

光譜儀在可穿戴光致變色光纖的研究中扮演著不可或缺的角色。其主要目的是精確分析光纖的發(fā)光性能，包括發(fā)射光譜、熒光強(qiáng)度等關(guān)鍵參數(shù)。通過(guò)這些數(shù)據(jù)，科研人員可以深入了解光纖的發(fā)光特性，為優(yōu)化光纖結(jié)構(gòu)和性能提供依據(jù)。

光譜儀的使用有助于突破傳統(tǒng)發(fā)光變色纖維的局限。精確的光譜分析能幫助科研人員找到影響發(fā)光均勻性的因素，進(jìn)而改進(jìn)光纖的設(shè)計(jì)和制備工藝。這不僅可以提高光致變色光纖的發(fā)光質(zhì)量，還能拓展其在可穿戴設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，推動(dòng)可穿戴設(shè)備向更加智能化、人性化的方向發(fā)展。

 高分辨率：能夠精準(zhǔn)區(qū)分光致變色光纖在不同波長(zhǎng)下的發(fā)光強(qiáng)度細(xì)微變化。例如，在分析多色光致變色光纖的發(fā)射光譜時(shí)，可清晰分辨出紅、綠、藍(lán)等不同顏色光的峰值波長(zhǎng)和強(qiáng)度，為研究人員提供詳細(xì)的光譜信息。

寬光譜范圍：能夠覆蓋光致變色光纖可能涉及的整個(gè)發(fā)光光譜區(qū)間。無(wú)論是可見(jiàn)光區(qū)域還是部分近紅外區(qū)域，都能進(jìn)行全面的測(cè)量和分析，確保不會(huì)遺漏任何關(guān)鍵的光譜特征。

快速測(cè)量：在研究過(guò)程中，能夠快速獲取光譜數(shù)據(jù)，大大提高了實(shí)驗(yàn)效率。對(duì)于需要進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)測(cè)試的光致變色光纖研究來(lái)說(shuō)，這一優(yōu)勢(shì)尤為重要，可以節(jié)省大量的時(shí)間和人力成本。

監(jiān)測(cè)反應(yīng)過(guò)程：在光致變色材料的合成過(guò)程中，光譜儀可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)體系中的光吸收、熒光發(fā)射等光譜特性變化，幫助研究人員了解反應(yīng)進(jìn)程、確定最佳反應(yīng)條件，如溫度、壓力、反應(yīng)時(shí)間等，從而優(yōu)化合成工藝，提高材料的光致變色性能。

測(cè)量吸收光譜：光譜儀可精確測(cè)量光致變色材料在不同波長(zhǎng)下的光吸收特性，確定其吸收峰位置、吸收強(qiáng)度等參數(shù)，進(jìn)而了解材料對(duì)光的選擇性吸收行為，這對(duì)于研究材料的光致變色性能以及與其他光學(xué)元件的匹配性具有重要意義。

測(cè)量熒光光譜：對(duì)于具有熒光特性的光致變色材料，光譜儀能夠測(cè)量其熒光發(fā)射光譜，包括熒光峰值波長(zhǎng)、熒光強(qiáng)度、熒光壽命等，幫助研究人員評(píng)估材料在激發(fā)光作用下的發(fā)光效率、顏色純度等特性，以及探索熒光與光致變色之間的關(guān)系。

表征器件性能：在光致變色器件的制備過(guò)程中，光譜儀可用于表征器件的光學(xué)性能，如透光率、反射率、對(duì)比度等，通過(guò)這些參數(shù)的測(cè)量，評(píng)估器件的顯示效果、信息讀取能力等，從而對(duì)器件的制備工藝進(jìn)行優(yōu)化。

優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)：基于光譜儀的測(cè)試結(jié)果，研究人員可以對(duì)光致變色器件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，例如調(diào)整電極材料、介質(zhì)層厚度、光致變色材料的分布等，以實(shí)現(xiàn)更好的光致變色效果和器件性能。

顯示技術(shù)：在光致變色顯示器件中，光譜儀可用于測(cè)量顯示像素的色彩純度、亮度、對(duì)比度等參數(shù)，確保顯示質(zhì)量滿足要求。同時(shí)，通過(guò)對(duì)不同光致變色材料及其組合的光譜特性研究，開發(fā)出具有更廣色域、更高分辨率的顯示技術(shù)。

光信息存儲(chǔ)：光致變色材料在光信息存儲(chǔ)領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用，光譜儀可用于研究材料在光寫入、讀取和擦除過(guò)程中的光譜變化，優(yōu)化存儲(chǔ)密度、讀寫速度和數(shù)據(jù)保持性等性能指標(biāo)，推動(dòng)高容量、高穩(wěn)定性光信息存儲(chǔ)器件的發(fā)展。

智能窗和調(diào)光器件：光譜儀可以測(cè)量光致變色智能窗或調(diào)光器件在不同狀態(tài)下的光透射率、光反射率等參數(shù)，評(píng)估其調(diào)光范圍、響應(yīng)速度以及對(duì)太陽(yáng)光譜的選擇性調(diào)控能力，從而提高建筑物的能源效率和室內(nèi)舒適度，實(shí)現(xiàn)智能光環(huán)境控制。

生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：光致變色材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也有一定的應(yīng)用前景，如生物傳感器、光控藥物釋放等。光譜儀可用于監(jiān)測(cè)材料與生物分子之間的相互作用、光致變色響應(yīng)與生物信號(hào)的關(guān)系等，為開發(fā)新型生物醫(yī)學(xué)診斷和治療技術(shù)提供支持。

在《Wearable and interactive multicolored photochromic fiber display》的研究論文中，Pan Li科研團(tuán)隊(duì)利用上海的MS2000光譜儀，對(duì)多色光致變色光纖進(jìn)行了全面的測(cè)試和分析。

隨著物聯(lián)網(wǎng)與可穿戴技術(shù)的飛速發(fā)展，智能紡織品正成為人機(jī)交互領(lǐng)域的前沿陣地，但傳統(tǒng)發(fā)光纖維長(zhǎng)期受限于兩大技術(shù)瓶頸：一是發(fā)光均勻性不足，因光在纖維軸向傳輸時(shí)散射損失導(dǎo)致亮度分布不均；二是多色調(diào)控能力弱，單根纖維難以實(shí)現(xiàn)全光譜動(dòng)態(tài)顏色切換，限制了交互界面設(shè)計(jì)的自由度。近年來(lái)，光致變色纖維憑借其柔性可編織性和多色可編程性嶄露頭角，通過(guò)內(nèi)置熒光材料實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，但其光學(xué)性能的精準(zhǔn)控制，包括激發(fā)-發(fā)射光譜優(yōu)化、CIE 1931色坐標(biāo)標(biāo)定及多角度顏色一致性調(diào)控，高度依賴高精度光學(xué)檢測(cè)設(shè)備。改研究使用由MS2000光譜儀，精準(zhǔn)解析熒光材料的光譜特性、構(gòu)建色度學(xué)模型并量化視角依賴性，成為突破智能纖維光學(xué)性能極限的關(guān)鍵工具，為可穿戴顯示技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)熱拉伸技術(shù)制備了一種多核光致變色纖維，在單根纖維內(nèi)封裝多個(gè)導(dǎo)光核（分別對(duì)應(yīng)紅、綠、藍(lán)三色熒光層），通過(guò)調(diào)控導(dǎo)光核光源功率比實(shí)現(xiàn)全色域光輸出。

使用由的MS2000光譜儀對(duì)多色光致變色光纖進(jìn)行 0° 至 360°、間隔 30° 的圓周光譜測(cè)量（如圖 3b），精確獲取不同角度下的光譜輻射強(qiáng)度變化。數(shù)據(jù)顯示，因光纖內(nèi)部結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，不同方向的激發(fā)光譜呈現(xiàn)循環(huán)變化，為分析其發(fā)光均勻性與視角依賴性提供了直接依據(jù)，直觀展現(xiàn)了光纖在空間上的發(fā)光特性差異。

在調(diào)節(jié)不同導(dǎo)光芯光源功率時(shí)（如圖 3g、h），使用由的MS2000光譜儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)光光譜變化。例如，保持藍(lán)芯功率不變，調(diào)整綠芯功率，其亮度比從 0.200 至 1.114 變化時(shí)，激發(fā)光譜相應(yīng)改變；反之，保持綠芯功率不變，藍(lán)芯功率調(diào)整使亮度比從 0.194 至 0.997 變化，光譜亦隨之調(diào)整。這些數(shù)據(jù)直接關(guān)聯(lián)至 x,y 色度坐標(biāo)（如圖 3i），使光纖通過(guò)混合不同功率比光源，實(shí)現(xiàn)三角形色域內(nèi)所有色度值的覆蓋，真正達(dá)成單根光纖多色可調(diào)，滿足多樣化應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)顏色精準(zhǔn)控制的需求。

MS2000光譜儀測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)處理后繪制 x,y 色度坐標(biāo)與視角關(guān)系圖（如圖 3c），清晰呈現(xiàn)視角變化對(duì)顏色感知的影響，將抽象的視覺(jué)效果轉(zhuǎn)化為可量化的坐標(biāo)參數(shù)，為評(píng)估光纖在不同使用場(chǎng)景（如可穿戴設(shè)備多角度觀察）下的顏色穩(wěn)定性提供了科學(xué)依據(jù)，確保實(shí)際應(yīng)用中顏色表現(xiàn)的可靠性與一致性。

圖1 光纖光致發(fā)光光譜圖和顏色參數(shù)圖

綜上，光譜儀通過(guò)高精度測(cè)試獲取的多維數(shù)據(jù)，不僅深入揭示了多色光致變色光纖的發(fā)光機(jī)制，更直接指導(dǎo)了光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化與多色控制策略，顯著提升了光纖性能，為其在智能可穿戴設(shè)備、動(dòng)態(tài)顯示等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，充分展現(xiàn)了光譜儀在光致變色研究中 “數(shù)據(jù)基石” 與 “優(yōu)化指引” 的雙重核心價(jià)值。

這項(xiàng)研究使用光譜儀設(shè)備，解決了傳統(tǒng)發(fā)光纖維的痛點(diǎn)，讓光纖既能靈活穿戴，又能精準(zhǔn)控制顏色和亮度，還能和傳感器、攝像頭等結(jié)合實(shí)現(xiàn)互動(dòng)。未來(lái)，我們的衣服、飾品甚至汽車內(nèi)飾都可能變成 “會(huì)發(fā)光、能互動(dòng)” 的智能界面，開啟 “人機(jī)一體化” 的新場(chǎng)景。