基于光纤耦合的石墨烯增强型布里渊光机谐振机理和传感应用研究

Based on the applicant’s research foundation in graphene/fiber hybrid optical sensors, this project will fully combines the nonlinear optical enhancement, biochemical sensitivity and mechanical properties of graphene material, and the coupling and lasing in whispering gallery mode cavity, this project plan to propose a sort of fiber coupled graphene enhanced Brillouin optomechanical microresonator, and investigate its ‘electron-phonon-photon’ interaction and biochemical sensing, both theoretically and experimentally. Specifically, we plan to research the forward phase-matching, lasing efficiency and spectral response mechanism in theory, therefore form a series of high performance biochemical sensors, to realize biochemical detection with sub ppb sensitivity, large dynamic range and good selectivity. This project aims to provide systematic theoretical reference and detailed experimental results for opening a new window for fiber-graphene hybrid based optical sensing technology and devices.

本项目在申请人石墨烯/光纤复合波导传感器的坚实研究基础之上，充分结合石墨烯材料的非线性光学增强、生化敏感和机械特性，以及回音壁微腔的多模耦合和激射响应，首次提出一种基于光纤耦合的石墨烯增强型布里渊光机谐振结构，并对其“电子-声子-光子”交叉作用机理和生化传感特性进行系统的理论和实验研究：理论上深入研究石墨烯布里渊光机谐振的前向相位匹配、激发效率和频率响应机制，进而实验上实现一系列具有超高频谱分辨率频率的生化传感器，用于亚ppb量级、大动态范围的超敏气体传感和具有可选择性的生化参量传感。本项目的研究将提供系统的理论参考和翔实的实验依据，为新一代的光纤-石墨烯复合微结构的光学传感技术和器件实现开辟新的窗口。

本项目面向超高灵敏度光学气体传感器件新机理、新结构和新实施方案的“三新”前沿探索，结合石墨烯材料和光纤谐振微结构，提出了基于石墨烯的光纤耦合布里渊光机谐振腔，深入探索了非线性增强机理、光学结构设计和制备工艺、和生化传感特性。所提出的石墨烯增强的“电子-声子-光子”交叉响应机制，解决了光学传感中引入超敏非线性参与的难题，实现了1ppb灵敏度、动态范围10^5量级的气体传感器。进而，提出了“石墨烯-光纤微腔”的多样化修饰技术，实现了生化传感器的多参数生化探测。最后，提出了新的光电交叉有源测量方案和噪声频谱分离技术，进一步优化非线性光学相应的灵敏度，使得传感器测量极限下探到单分子量级。总而言之，在本项目的支持下，该研究成功展示了新的石墨烯FWM光学非线性过程、实现了多个优化的“石墨烯+光纤微结构”复合波导器件样品、展现了在气体和生化超敏传感中的超高性能，突破了传统光学折射率传感器的选择性局限。为新一代的光纤-石墨烯复合微结构的光学传感技术和器件的发展奠定了坚实基础。