微納米光纖傳感及光學操控、微納米結構及先進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
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用領域的國際前沿研究熱點之一，相關實用性器件的研發(fā)勢必不斷豐富和推動微納米技術的研究內容和實際應用。然而，當前微納米光纖的制作依賴于化學和物理納米刻蝕技術，樣品制作工藝復雜、成本高，只能在實驗室中實現，嚴重限制了其在生產生活中的應用；此外，雖然借助金屬材料的表面等離子共振技術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物頻繁接觸，并且裸露在器件表面，非常容易松動甚至脫落，從而導致整個傳感器件性能的下降。
結合金屬納米粒子和石英毛細管，提出并設計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范圍、改進了抗化學腐蝕和抗高溫特性、有效提升了傳感靈敏度。
近年來，特別是2013年以來，申請人及其團隊成員積極探索經濟實用和簡單高效的微納米光纖制備技術，分別采用高溫熔融拉伸法和有機物溶膠一步拉伸法成功制備了直徑數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石英毛細管，成果制備了金屬納米粒子摻雜石英微納米光纖傳感探頭，實驗測得其折射率傳感靈敏度為520nm/RIU，相關研究獲得國家自然科學基金青年基金項目資助，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依據。
通過將聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）溶于有機溶劑，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，實現了對痕量濃度氫氣的特異性傳感，相應靈敏度高達5.58nm/%，與近年來其他文獻中報道的電化學類氫氣傳感器的靈敏度相當，相關研究獲得遼寧省博士啟動基金項目資助，旨在為研制抗電磁干擾、遠程工作、高靈敏度、柔韌性強的聚合物微納米光纖氣體傳感器件奠定理論和技術基礎。
2. 微納米光纖結構的光學及傳感應用
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研究引起了國內外科學家的廣泛關注?；陔娀瘜W原理相關器件的響應時間和信號傳輸效率受到嚴重制約；基于高精度納米加工工藝的相關器件制作成本昂貴，將成為其未來廣泛應用的巨大障礙。微納米光纖的直徑為數微米到幾百納米，當光信號在其內部傳輸時，可在其周圍激發(fā)強烈的光學倏逝場，成為微納米光纖內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耦合提供可能。此外，微納米光纖本質柔軟、強韌，使其可以借助顯微系統(tǒng)下的微操控手段，構建微型馬赫?增德爾及Sagnac干涉儀、微環(huán)諧振腔等微納米光纖結構，并基于以上結構，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。
提出并設計了毛細管封裝S型復合光纖結構，可實現對生化反應過程中微小溫度波動的高靈敏度、實時監(jiān)測；提出并設計了PDMS封裝微納米光纖諧振環(huán)柔性溫度和應力傳感探頭，可應用于仿生皮膚等可穿戴傳感設備。
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、精準光纖熔接和柔性材料封裝技術，實現S型微彎結構、微型干涉儀、光纖耦合回音壁微腔、微環(huán)諧振腔等不同結構的搭建，在此基礎上研究相關結構的光學和傳感性能，相關研究獲得基本科研業(yè)務費國家項目培育種子基金資助，旨在設計基于微納米光纖結構的新型生物傳感探頭。實驗結果表明，S型微彎微納米光纖結構的折射率靈敏度為960nm/RIU，經過毛細管封裝后制作的溫度傳感探頭，在23.46?73.05℃范圍內的溫度響應靈敏度約為11nm/℃，響應時間為1.1s，可實現特殊生化條件下對溫度波動的高靈敏度監(jiān)測；采用PDMS封裝石英微納米光纖制作芯片式傳感探頭，并研究其溫度和應力傳感特性，使其可應用于仿生皮膚等可穿戴設備中，實驗測得其溫度響應靈敏度為0.973nm/℃，工作范圍為24?54℃。
3. 新型納米材料及其結構非線性光學應用
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，必須結合新型納米材料，來改善其靈敏度、選擇性和環(huán)境適應性等傳感器性能。因此，充分了解新型納米材料的光學特性至關重要，并在此基礎上研究新型納米材料在微納米光纖表面的結構組裝技術，以構建納米敏感膜、改善微納米光纖傳感器的相關性能；此外，由于新型材料自組裝結構的幾何參數直接影響其光學特性，在微納米光纖表面組裝合理的微納米結構的前提，即是用傳統(tǒng)納米和光學分析手段研究基于新型材料不同微納米結構的光學和傳感性能，再將優(yōu)化選擇后的材料和結構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對空心光纖錐光學特性的影響規(guī)律，申請人及其團隊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連續(xù)移動直徑為2.3μm的銀微米球，同時實驗觀測到了表面等離子諧振峰值的連續(xù)移動，為其光學傳感器和彩色濾波器的應用提供了實驗依據；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直徑為6.2μm的石英微米空心管內，采用532nm綠光激光器泵浦，實驗研究了其回音壁耦合熒光共振光學特性，得到的自由光譜范圍為5.4nm；實驗結果還表明微米球對間的光學干涉可使單球熒光共振峰產生模式分裂，進一步影響其自由光譜范圍等光學特性參數。以上涉及的金屬及染料摻雜微納米球和微納米光纖復合結構，有望應用于全光調制器、光學傳感器等新型微光子學器件。