微納米光纖傳感及光學(xué)操控、微納米結(jié)構(gòu)及先進(jìn)功能材料輔助光纖傳感、微環(huán)激光器。
1. 功能材料摻雜微納米光纖傳感技術(shù)
以微納米光纖為核心的傳感器體積小、柔韌性好、靈敏度高，已成為近年來微納米材料及應(yīng)用領(lǐng)域的國(guó)際前沿研究熱點(diǎn)之一，相關(guān)實(shí)用性器件的研發(fā)勢(shì)必不斷豐富和推動(dòng)微納米技術(shù)的研究?jī)?nèi)容和實(shí)際應(yīng)用。然而，當(dāng)前微納米光纖的制作依賴于化學(xué)和物理納米刻蝕技術(shù)，樣品制作工藝復(fù)雜、成本高，只能在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)，嚴(yán)重限制了其在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用；此外，雖然借助金屬材料的表面等離子共振技術(shù)可有效提高光纖傳感器件的靈敏度，然而傳統(tǒng)增敏金屬材料均是以薄膜或納米粒子的形式附著在光纖外表面。這種類型傳感器的金屬納米粒子或薄膜由于和待測(cè)物頻繁接觸，并且裸露在器件表面，非常容易松動(dòng)甚至脫落，從而導(dǎo)致整個(gè)傳感器件性能的下降。
結(jié)合金屬納米粒子和石英毛細(xì)管，提出并設(shè)計(jì)了金屬納米粒子摻雜石英微納米光纖傳感探頭，解決了傳統(tǒng)金屬膜層或納米粒子易脫落問題，拓展了光纖器件的工作波長(zhǎng)范圍、改進(jìn)了抗化學(xué)腐蝕和抗高溫特性、有效提升了傳感靈敏度。
近年來，特別是2013年以來，申請(qǐng)人及其團(tuán)隊(duì)成員積極探索經(jīng)濟(jì)實(shí)用和簡(jiǎn)單高效的微納米光纖制備技術(shù)，分別采用高溫熔融拉伸法和有機(jī)物溶膠一步拉伸法成功制備了直徑數(shù)微米的石英微納米光纖和聚合物微納米光纖；通過將金屬微納米粒子灌注進(jìn)石英毛細(xì)管，成果制備了金屬納米粒子摻雜石英微納米光纖傳感探頭，實(shí)驗(yàn)測(cè)得其折射率傳感靈敏度為520nm/RIU，相關(guān)研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目資助，旨在為研制抗腐蝕、耐高溫、高靈敏度的微納米光纖器件提供科學(xué)依據(jù)。
通過將聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）溶于有機(jī)溶劑，采用一步拉伸法制備的聚合物微納米光纖的折射率靈敏度為1490nm/RIU，通過將鈀納米粒子摻雜其中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)痕量濃度氫氣的特異性傳感，相應(yīng)靈敏度高達(dá)5.58nm/%，與近年來其他文獻(xiàn)中報(bào)道的電化學(xué)類氫氣傳感器的靈敏度相當(dāng)，相關(guān)研究獲得遼寧省博士啟動(dòng)基金項(xiàng)目資助，旨在為研制抗電磁干擾、遠(yuǎn)程工作、高靈敏度、柔韌性強(qiáng)的聚合物微納米光纖氣體傳感器件奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)。
2. 微納米光纖結(jié)構(gòu)的光學(xué)及傳感應(yīng)用
近年來，便攜微型光子器件和可穿戴型生物柔性傳感芯片的相關(guān)研究引起了國(guó)內(nèi)外科學(xué)家的廣泛關(guān)注。基于電化學(xué)原理相關(guān)器件的響應(yīng)時(shí)間和信號(hào)傳輸效率受到嚴(yán)重制約；基于高精度納米加工工藝的相關(guān)器件制作成本昂貴，將成為其未來廣泛應(yīng)用的巨大障礙。微納米光纖的直徑為數(shù)微米到幾百納米，當(dāng)光信號(hào)在其內(nèi)部傳輸時(shí)，可在其周圍激發(fā)強(qiáng)烈的光學(xué)倏逝場(chǎng)，成為微納米光纖內(nèi)外信息交換的重要媒介，并為微納米光纖與普通光纖及其他光電芯片間的高效光學(xué)耦合提供可能。此外，微納米光纖本質(zhì)柔軟、強(qiáng)韌，使其可以借助顯微系統(tǒng)下的微操控手段，構(gòu)建微型馬赫?增德爾及Sagnac干涉儀、微環(huán)諧振腔等微納米光纖結(jié)構(gòu)，并基于以上結(jié)構(gòu)，研制低泵浦閾值的微型激光器和高靈敏度的微型傳感探頭。通過選擇生物相容性良好的聚合物材料，可將微納米光纖用于仿生皮膚和可注射型微生物傳感芯片的研制。
提出并設(shè)計(jì)了毛細(xì)管封裝S型復(fù)合光纖結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)生化反應(yīng)過程中微小溫度波動(dòng)的高靈敏度、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；提出并設(shè)計(jì)了PDMS封裝微納米光纖諧振環(huán)柔性溫度和應(yīng)力傳感探頭，可應(yīng)用于仿生皮膚等可穿戴傳感設(shè)備。
采用高溫熔融加熱拉伸法從普通單模光纖制備微納米光纖，并借助顯微鏡微操控、精準(zhǔn)光纖熔接和柔性材料封裝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)S型微彎結(jié)構(gòu)、微型干涉儀、光纖耦合回音壁微腔、微環(huán)諧振腔等不同結(jié)構(gòu)的搭建，在此基礎(chǔ)上研究相關(guān)結(jié)構(gòu)的光學(xué)和傳感性能，相關(guān)研究獲得基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)國(guó)家項(xiàng)目培育種子基金資助，旨在設(shè)計(jì)基于微納米光纖結(jié)構(gòu)的新型生物傳感探頭。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，S型微彎微納米光纖結(jié)構(gòu)的折射率靈敏度為960nm/RIU，經(jīng)過毛細(xì)管封裝后制作的溫度傳感探頭，在23.46?73.05℃范圍內(nèi)的溫度響應(yīng)靈敏度約為11nm/℃，響應(yīng)時(shí)間為1.1s，可實(shí)現(xiàn)特殊生化條件下對(duì)溫度波動(dòng)的高靈敏度監(jiān)測(cè)；采用PDMS封裝石英微納米光纖制作芯片式傳感探頭，并研究其溫度和應(yīng)力傳感特性，使其可應(yīng)用于仿生皮膚等可穿戴設(shè)備中，實(shí)驗(yàn)測(cè)得其溫度響應(yīng)靈敏度為0.973nm/℃，工作范圍為24?54℃。
3. 新型納米材料及其結(jié)構(gòu)非線性光學(xué)應(yīng)用
雖然微納米光纖可用于研制微型、高靈敏度傳感器件，為充分發(fā)揮微納米光纖器件的巨大優(yōu)勢(shì)，必須結(jié)合新型納米材料，來改善其靈敏度、選擇性和環(huán)境適應(yīng)性等傳感器性能。因此，充分了解新型納米材料的光學(xué)特性至關(guān)重要，并在此基礎(chǔ)上研究新型納米材料在微納米光纖表面的結(jié)構(gòu)組裝技術(shù)，以構(gòu)建納米敏感膜、改善微納米光纖傳感器的相關(guān)性能；此外，由于新型材料自組裝結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)直接影響其光學(xué)特性，在微納米光纖表面組裝合理的微納米結(jié)構(gòu)的前提，即是用傳統(tǒng)納米和光學(xué)分析手段研究基于新型材料不同微納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)和傳感性能，再將優(yōu)化選擇后的材料和結(jié)構(gòu)用于微納米光纖器件的研制。
為了探究金屬微納米粒子的表面等離子共振效應(yīng)對(duì)空心光纖錐光學(xué)特性的影響規(guī)律，申請(qǐng)人及其團(tuán)隊(duì)成員通過顯微鏡下的微操作手段，在空心光纖錐的錐形空氣微腔內(nèi)連續(xù)移動(dòng)直徑為2.3μm的銀微米球，同時(shí)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到了表面等離子諧振峰值的連續(xù)移動(dòng)，為其光學(xué)傳感器和彩色濾波器的應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)；采用同樣的顯微鏡微操作手段，將直徑約為6μm的激光染料摻雜聚合物微米球灌注進(jìn)直徑為6.2μm的石英微米空心管內(nèi)，采用532nm綠光激光器泵浦，實(shí)驗(yàn)研究了其回音壁耦合熒光共振光學(xué)特性，得到的自由光譜范圍為5.4nm；實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明微米球?qū)﹂g的光學(xué)干涉可使單球熒光共振峰產(chǎn)生模式分裂，進(jìn)一步影響其自由光譜范圍等光學(xué)特性參數(shù)。以上涉及的金屬及染料摻雜微納米球和微納米光纖復(fù)合結(jié)構(gòu)，有望應(yīng)用于全光調(diào)制器、光學(xué)傳感器等新型微光子學(xué)器件。