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研究方向

微纳米光纤传感及光学操控、微纳米结构及先进功能材料辅助光纤传感、微环激光器。

1. 功能材料掺杂微纳米光纤传感技术

   以微纳米光纤为核心的传感器体积小、柔韧性好、灵敏度高,已成为近年来微纳米材料及应用领域的国际前沿研究热点之一,相关实用性器件的研发势必不断丰富和推动微纳米技术的研究内容和实际应用。然而,当前微纳米光纤的制作依赖于化学和物理纳米刻蚀技术,样品制作工艺复杂、成本高,只能在实验室中实现,严重限制了其在生产生活中的应用;此外,虽然借助金属材料的表面等离子共振技术可有效提高光纤传感器件的灵敏度,然而传统增敏金属材料均是以薄膜或纳米粒子的形式附着在光纤外表面。这种类型传感器的金属纳米粒子或薄膜由于和待测物频繁接触,并且裸露在器件表面,非常容易松动甚至脱落,从而导致整个传感器件性能的下降。

   结合金属纳米粒子和石英毛细管,提出并设计了金属纳米粒子掺杂石英微纳米光纤传感探头,解决了传统金属膜层或纳米粒子易脱落问题,拓展了光纤器件的工作波长范围、改进了抗化学腐蚀和抗高温特性、有效提升了传感灵敏度。

   近年来,特别是2013年以来,申请人及其团队成员积极探索经济实用和简单高效的微纳米光纤制备技术,分别采用高温熔融拉伸法和有机物溶胶一步拉伸法成功制备了直径数微米的石英微纳米光纤和聚合物微纳米光纤;通过将金属微纳米粒子灌注进石英毛细管,成果制备了金属纳米粒子掺杂石英微纳米光纤传感探头,实验测得其折射率传感灵敏度为520nm/RIU,相关研究获得国家自然科学基金青年基金项目资助,旨在为研制抗腐蚀、耐高温、高灵敏度的微纳米光纤器件提供科学依据。

   通过将聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)溶于有机溶剂,采用一步拉伸法制备的聚合物微纳米光纤的折射率灵敏度为1490nm/RIU,通过将钯纳米粒子掺杂其中,实现了对痕量浓度氢气的特异性传感,相应灵敏度高达5.58nm/%,与近年来其他文献中报道的电化学类氢气传感器的灵敏度相当,相关研究获得辽宁省博士启动基金项目资助,旨在为研制抗电磁干扰、远程工作、高灵敏度、柔韧性强的聚合物微纳米光纤气体传感器件奠定理论和技术基础。

2. 微纳米光纤结构的光学及传感应用

   近年来,便携微型光子器件和可穿戴型生物柔性传感芯片的相关研究引起了国内外科学家的广泛关注。基于电化学原理相关器件的响应时间和信号传输效率受到严重制约;基于高精度纳米加工工艺的相关器件制作成本昂贵,将成为其未来广泛应用的巨大障碍。微纳米光纤的直径为数微米到几百纳米,当光信号在其内部传输时,可在其周围激发强烈的光学倏逝场,成为微纳米光纤内外信息交换的重要媒介,并为微纳米光纤与普通光纤及其他光电芯片间的高效光学耦合提供可能。此外,微纳米光纤本质柔软、强韧,使其可以借助显微系统下的微操控手段,构建微型马赫?增德尔及Sagnac干涉仪、微环谐振腔等微纳米光纤结构,并基于以上结构,研制低泵浦阈值的微型激光器和高灵敏度的微型传感探头。通过选择生物相容性良好的聚合物材料,可将微纳米光纤用于仿生皮肤和可注射型微生物传感芯片的研制。

提出并设计了毛细管封装S型复合光纤结构,可实现对生化反应过程中微小温度波动的高灵敏度、实时监测;提出并设计了PDMS封装微纳米光纤谐振环柔性温度和应力传感探头,可应用于仿生皮肤等可穿戴传感设备。

   采用高温熔融加热拉伸法从普通单模光纤制备微纳米光纤,并借助显微镜微操控、精准光纤熔接和柔性材料封装技术,实现S型微弯结构、微型干涉仪、光纤耦合回音壁微腔、微环谐振腔等不同结构的搭建,在此基础上研究相关结构的光学和传感性能,相关研究获得基本科研业务费国家项目培育种子基金资助,旨在设计基于微纳米光纤结构的新型生物传感探头。实验结果表明,S型微弯微纳米光纤结构的折射率灵敏度为960nm/RIU,经过毛细管封装后制作的温度传感探头,在23.46?73.05℃范围内的温度响应灵敏度约为11nm/℃,响应时间为1.1s,可实现特殊生化条件下对温度波动的高灵敏度监测;采用PDMS封装石英微纳米光纤制作芯片式传感探头,并研究其温度和应力传感特性,使其可应用于仿生皮肤等可穿戴设备中,实验测得其温度响应灵敏度为0.973nm/℃,工作范围为24?54℃。

3. 新型纳米材料及其结构非线性光学应用

   虽然微纳米光纤可用于研制微型、高灵敏度传感器件,为充分发挥微纳米光纤器件的巨大优势,必须结合新型纳米材料,来改善其灵敏度、选择性和环境适应性等传感器性能。因此,充分了解新型纳米材料的光学特性至关重要,并在此基础上研究新型纳米材料在微纳米光纤表面的结构组装技术,以构建纳米敏感膜、改善微纳米光纤传感器的相关性能;此外,由于新型材料自组装结构的几何参数直接影响其光学特性,在微纳米光纤表面组装合理的微纳米结构的前提,即是用传统纳米和光学分析手段研究基于新型材料不同微纳米结构的光学和传感性能,再将优化选择后的材料和结构用于微纳米光纤器件的研制。

   为了探究金属微纳米粒子的表面等离子共振效应对空心光纤锥光学特性的影响规律,申请人及其团队成员通过显微镜下的微操作手段,在空心光纤锥的锥形空气微腔内连续移动直径为2.3μm的银微米球,同时实验观测到了表面等离子谐振峰值的连续移动,为其光学传感器和彩色滤波器的应用提供了实验依据;采用同样的显微镜微操作手段,将直径约为6μm的激光染料掺杂聚合物微米球灌注进直径为6.2μm的石英微米空心管内,采用532nm绿光激光器泵浦,实验研究了其回音壁耦合荧光共振光学特性,得到的自由光谱范围为5.4nm;实验结果还表明微米球对间的光学干涉可使单球荧光共振峰产生模式分裂,进一步影响其自由光谱范围等光学特性参数。以上涉及的金属及染料掺杂微纳米球和微纳米光纤复合结构,有望应用于全光调制器、光学传感器等新型微光子学器件。