光谱仪助力可穿戴光致变色光纤研究，开启智能应用新时代

发布日期：2025-05-23

在科技飞速发展的今天，可穿戴设备的创新浪潮正席卷而来，其应用领域不断拓展，从健康监测到时尚科技，再到人机交互，正深刻改变着人们的生活方式。在这一背景下，可穿戴光致变色光纤显示器的研究成为了热门方向，它为智能可穿戴设备带来了全新的设计理念和交互体验。由上海如海光电研发的光谱仪在这一前沿研究中发挥了关键作用，为科研人员深入探索光致变色光纤的性能提供了有力支持。

一、研究背景

随着材料科学的进步，智能纤维与纺织技术的融合愈发紧密。可穿戴设备对柔软、透气和舒适的要求日益提高，变色纤维作为一种新型交互界面崭露头角。它打破了传统硬式交互界面的局限，具有良好的透气性和耐磨性，能适应不规则的人体形状，可直接集成到日常衣物中，成为 “隐形” 的交互界面。在众多变色纤维中，发光变色纤维因能独立发光、不受环境亮度影响而备受关注，被视为实现可穿戴设备显示和交互功能的理想选择。然而，传统的发光变色纤维存在发光均匀性差等问题，限制了其进一步应用。因此，研发新型的可穿戴光致变色光纤，实现均匀且可定制的光效果，成为了该领域的研究重点。

二、测试原理

光谱仪在可穿戴光致变色光纤的研究中扮演着不可或缺的角色。其主要目的是精确分析光纤的发光性能，包括发射光谱、荧光强度等关键参数。通过这些数据，科研人员可以深入了解光纤的发光特性，为优化光纤结构和性能提供依据。

光谱仪的使用有助于突破传统发光变色纤维的局限。精确的光谱分析能帮助科研人员找到影响发光均匀性的因素，进而改进光纤的设计和制备工艺。这不仅可以提高光致变色光纤的发光质量，还能拓展其在可穿戴设备领域的应用范围，推动可穿戴设备向更加智能化、人性化的方向发展。

三、技术优势

高分辨率：能够精准区分光致变色光纤在不同波长下的发光强度细微变化。例如，在分析多色光致变色光纤的发射光谱时，可清晰分辨出红、绿、蓝等不同颜色光的峰值波长和强度，为研究人员提供详细的光谱信息。

宽光谱范围：能够覆盖光致变色光纤可能涉及的整个发光光谱区间。无论是可见光区域还是部分近红外区域，都能进行全面的测量和分析，确保不会遗漏任何关键的光谱特征。

快速测量：在研究过程中，能够快速获取光谱数据，大大提高了实验效率。对于需要进行大量实验测试的光致变色光纤研究来说，这一优势尤为重要，可以节省大量的时间和人力成本。

四、应用领域

监测反应过程：在光致变色材料的合成过程中，光谱仪可用于实时监测反应体系中的光吸收、荧光发射等光谱特性变化，帮助研究人员了解反应进程、确定反应条件，如温度、压力、反应时间等，从而优化合成工艺，提高材料的光致变色性能。

测量吸收光谱：光谱仪可精确测量光致变色材料在不同波长下的光吸收特性，确定其吸收峰位置、吸收强度等参数，进而了解材料对光的选择性吸收行为，这对于研究材料的光致变色性能以及与其他光学元件的匹配性具有重要意义。

测量荧光光谱：对于具有荧光特性的光致变色材料，光谱仪能够测量其荧光发射光谱，包括荧光峰值波长、荧光强度、荧光寿命等，帮助研究人员评估材料在激发光作用下的发光效率、颜色纯度等特性，以及探索荧光与光致变色之间的关系。

表征器件性能：在光致变色器件的制备过程中，光谱仪可用于表征器件的光学性能，如透光率、反射率、对比度等，通过这些参数的测量，评估器件的显示效果、信息读取能力等，从而对器件的制备工艺进行优化。

优化器件结构：基于光谱仪的测试结果，研究人员可以对光致变色器件的结构进行优化设计，例如调整电极材料、介质层厚度、光致变色材料的分布等，以实现更好的光致变色效果和器件性能。

显示技术：在光致变色显示器件中，光谱仪可用于测量显示像素的色彩纯度、亮度、对比度等参数，确保显示质量满足要求。同时，通过对不同光致变色材料及其组合的光谱特性研究，开发出具有更广色域、更高分辨率的显示技术。

光信息存储：光致变色材料在光信息存储领域具有潜在应用，光谱仪可用于研究材料在光写入、读取和擦除过程中的光谱变化，优化存储密度、读写速度和数据保持性等性能指标，推动高容量、高稳定性光信息存储器件的发展。

智能窗和调光器件：光谱仪可以测量光致变色智能窗或调光器件在不同状态下的光透射率、光反射率等参数，评估其调光范围、响应速度以及对太阳光谱的选择性调控能力，从而提高建筑物的能源效率和室内舒适度，实现智能光环境控制。

生物医学领域：光致变色材料在生物医学领域也有一定的应用前景，如生物传感器、光控药物释放等。光谱仪可用于监测材料与生物分子之间的相互作用、光致变色响应与生物信号的关系等，为开发新型生物医学诊断和治疗技术提供支持。

五、应用案例

在《Wearable and interactive multicolored photochromic fiber display》的研究论文中，Pan Li科研团队利用上海如海光电的MS2000光谱仪，对多色光致变色光纤进行了全面的测试和分析。

5.1 研究背景

随着物联网与可穿戴技术的飞速发展，智能纺织品正成为人机交互领域的前沿阵地，但传统发光纤维长期受限于两大技术瓶颈：一是发光均匀性不足，因光在纤维轴向传输时散射损失导致亮度分布不均；二是多色调控能力弱，单根纤维难以实现全光谱动态颜色切换，限制了交互界面设计的自由度。近年来，光致变色纤维凭借其柔性可编织性和多色可编程性崭露头角，通过内置荧光材料实现波长转换，但其光学性能的精准控制，包括激发-发射光谱优化、CIE 1931色坐标标定及多角度颜色一致性调控，高度依赖高精度光学检测设备。改研究使用由如海光电MS2000光谱仪，精准解析荧光材料的光谱特性、构建色度学模型并量化视角依赖性，成为突破智能纤维光学性能极限的关键工具，为可穿戴显示技术的产业化提供坚实的技术支撑。

5.2 实验结果

本实验通过热拉伸技术制备了一种多核光致变色纤维，在单根纤维内封装多个导光核（分别对应红、绿、蓝三色荧光层），通过调控导光核光源功率比实现全色域光输出。

使用由如海光电的MS2000光谱仪对多色光致变色光纤进行 0° 至 360°、间隔 30° 的圆周光谱测量（如图 3b），精确获取不同角度下的光谱辐射强度变化。数据显示，因光纤内部结构不对称，不同方向的激发光谱呈现循环变化，为分析其发光均匀性与视角依赖性提供了直接依据，直观展现了光纤在空间上的发光特性差异。

在调节不同导光芯光源功率时（如图 3g、h），使用由如海光电的MS2000光谱仪实时监测发光光谱变化。例如，保持蓝芯功率不变，调整绿芯功率，其亮度比从 0.200 至 1.114 变化时，激发光谱相应改变；反之，保持绿芯功率不变，蓝芯功率调整使亮度比从 0.194 至 0.997 变化，光谱亦随之调整。这些数据直接关联至 x,y 色度坐标（如图 3i），使光纤通过混合不同功率比光源，实现三角形色域内所有色度值的覆盖，真正达成单根光纤多色可调，满足多样化应用场景对颜色精准控制的需求。

MS2000光谱仪测量数据经处理后绘制 x,y 色度坐标与视角关系图（如图 3c），清晰呈现视角变化对颜色感知的影响，将抽象的视觉效果转化为可量化的坐标参数，为评估光纤在不同使用场景（如可穿戴设备多角度观察）下的颜色稳定性提供了科学依据，确保实际应用中颜色表现的可靠性与一致性。