贵金属纳米粒子掺杂微纳光纤的可控制备和光学性能调控

M/NOF (Micro/nano optical fibre) promises great prospect for wide range of applications in constructing integrated optical circuits and optical sensing. High-performance and multifunctional M/NOF with low loss, fast response and high sensitivity are required to meet the further development of optical communication and sensing technologies. LSPR (Localized surface plasmonic resonance) based on noble metal nano-structures are capable of realizing local enhancing of electromagnetic field, thus has been demonstrated unique versatility in constructing high-performance M/NOF. This project will explore technologies for controllable fabrication of noble metal nanoparticles doped M/NOF, aiming at tailoring optical properties of M/NOF via LSPR of noble metal nanoparticles, thus constructing high-performance and multifunctional M/NOF. Tailoring of the optical properties of M/NOF will be realized through adjusting size, shape, arrangement of noble metal nanoparticles, and their surface modification, when the dynamics for formation and arranging of metal nanoparticles in M/NOF will also be investigated. For fundamental exploration before practicle applications, this project will also investigate the transmission and loss of light in single noble metal nanoparticles doped M/NOF, study distribution of near field enhancing factor and extinction spectra of single fiber, demonstrate LSPR generating SERS (Surface enhanced Raman scattering) effect in single fiber, and construct super-sensitive optical fiber sensing devices.

微纳光纤在光通信和传感领域具有广泛应用前景。随着光通信和传感技术的进一步发展，要求实现低损耗、快响应、高灵敏度等高性能和复合功能的微纳光纤。基于贵金属纳米结构的LSPR（局域表面等离子体共振）效应可在纳米尺度上实现电磁场局域增强，在构建高性能微纳光纤方面展现了独特的优越性。本项目拟研究贵金属纳米粒子掺杂微纳光纤的可控制备，通过贵金属纳米粒子的LSPR效应调控微纳光纤的光学特性，构建高性能复合功能微纳光纤。我们将通过贵金属纳米粒子尺寸、形状、排列的操控以及表面修饰来调控微纳光纤的光学特性，研究贵金属纳米粒子在微纳光纤中形成和排列的动力学原理。作为对实际应用的基础性探索，本项目还将研究光信号在单根贵金属纳米粒子掺杂微纳光纤中的传输和损耗，结合实验和理论模拟研究单根光纤的近场场强增强因子分布和消光光谱，演示基于单根微纳光纤LSPR的SERS(表面增强拉曼散射)效应，构建超高灵敏光纤传感器件。

微纳光纤具有尺寸小、结构紧凑、柔韧性高、倏逝波传输等独特的性能，在光通信和传感等领域具有广泛应用前景。贵金属纳米结构的 LSPR（局域表面等离子体共振）效应可在纳米尺度上实现电磁场局域增强，是构建低损耗、快响应、高灵敏度等高性能和复合功能微纳光纤的重要手段。本项目主要基于静电纺丝技术开展了Au、Ag等贵金属纳米晶复合微纳光纤的制备、组装、性能和应用研究。主要的研究成果包括以下几个方面：.（1）首先开发了一种独特的溶胶凝胶简单合成工艺，成功实现了Ag纳米晶极高浓度掺杂石英玻璃微纳光纤的制备。首次在该类材料中同时实现~850S/cm的电导率和正相关的电导率-温度系数。这种材料在高灵敏光电传感、构建高性能电极材料、高性能催化剂等方面有良好的应用前景。.（2）通过定向静电纺丝技术制备了定向排列的高分子微纳光纤无纺膜，通过简单的浸泡和干燥处理获得了柔性透明薄膜材料。该薄膜材料在可见-近红外区平均透过率>85%，且透过曲线平坦；对可见和近红外光都有很好的偏振效果，偏振效率达到0.9以上。该工作避免了商用偏振片复杂的染料掺杂和热拉伸工艺，且获得的偏振片无色透明，比商用偏振片具有更好的透光效果。.（3）基于定向静电纺丝技术和后续处理，制备了Au纳米棒宏观定向排列的各向异性光学薄膜。定向排列大幅度加强了薄膜在Au纳米棒的纵向SPR方向的光学非线性，且对入射光具有敏感的偏振响应特性，在脉冲激光产生、光信息存储等方面有重要应用。以该薄膜为可饱和吸收体，我们成功实现了同时具有锁模和调Q两种工作模式的环形腔脉冲光纤激光器，两种工作模式的切换可通过调节激光偏振方向灵活实现。