基于飞秒激光刻蚀微腔的光子晶体光纤流体传感研究

本项目研究利用飞秒激光在光子晶体光纤上蚀刻微腔，系统开展具有微腔结构且对流体(液体、气体)敏感的新型光子晶体光纤传感的机理表征、结构设计及感测实验等应用基础研究。根据光子晶体光纤的特点，探索微腔蚀刻方法和成腔技术，在光子晶体光纤上设计并蚀刻微腔。研究微腔特征量与流体传感量之间的依赖关系和表征形式，建立具有微腔结构的光子晶体光纤流体传感模型和计算程序，数值模拟并分析微腔的深宽比、形状、阵列分布等因素对流体传感特性的影响。探索微腔介质载入新方法和实用技术，对光子晶体光纤进行选择填充（分层、定位填充）实验。构建新型光子晶体光纤流体传感实验系统，实现对液体和气体的高灵敏度感测，探索光子晶体光纤微腔流体传感技术的应用。当在同一根光子晶体光纤上蚀刻阵列微腔（或者在纤芯及包层上形成光栅结构）并构成传感网络时，可以实现多参量、多维度、高精度传感测量，这对发展新一代光子晶体光纤传感技术具有非常重要的意义。

设计并搭建了飞秒激光微加工系统，详细研究了飞秒激光与光子晶体光纤的作用机理，研究了飞秒激光功率密度、光斑大小、聚焦所用显微物镜的数值孔径、聚焦光斑与光纤的相对位置、横向扫描速率等参数对刻蚀光纤微腔的影响，实验过程中结合吹气法和超声波清洗、腐蚀等后处理技术，熟练掌握了飞秒激光微加工光纤微腔的关键技术。基于飞秒刻蚀微腔实验，建立了非平行壁光纤微腔模型和分析理论，设计并制作出基于单模光纤的高质量V型F-P微腔、U型M-Z微腔及其微腔阵列，定量研究了不同微腔结构参数（深宽比、倾斜度和底角）对微腔透射光谱特性及流体传感特性的影响。利用上述飞秒激光微加工技术，成功制作出光子晶体光纤微腔，结合全矢量有限元方法并参考上述微腔模型和分析理论，实现了对折射率引导型PCF微腔的理论计算和性能分析，数值模拟了分层填充对光子带隙型PCF的插入损耗、带隙结构和模场分布的影响。设计并构建了光纤微腔液体传感平台，对刻蚀的V型光纤F-P微腔和U型光纤M-Z微腔进行了典型液体浓度及折射率的在线检测，并建立了折射率传感器的性能评价理论。实验获得的蔗糖水溶液折射率传感灵敏度高达-12937.31nm/RIU。同时，设计并构建了气体传感平台，设计制作出光纤微腔气体传感所用气室，对CO2气体进行了浓度在线检测，初步实现了不同浓度及成分的气体传感测量。应用研究表明，光纤微腔很适用于特殊环境下的高精度“点”式测量。将刻蚀的光学微腔成功应用于光纤环衰荡腔系统之中，分析了该系统的探测原理，建立了用于微流体吸收探测的衰荡时间、损耗及待测流体浓度的理论关系。利用光纤环衰荡腔系统，实现了对微量流体浓度的吸收谱高灵敏度探测。通过本项目的研究，掌握了光纤微腔侧面介质载入关键技术，实现了光子晶体光纤分层定位填充，并进行了典型流体传感实验。并最终对新型光纤微腔传感的机理表征、结构设计、器件研制以及传感实验等进行了系统研究，取得了多项创新型研究成果。出版学术著作 1部，发表学术论文35篇，其中已被 SCI索引16篇，EI索引17篇；获得发明专利1项和实用新型专利2项，申请发明专利1项；培养博士4名，硕士8名，高质量地完成了任务书的各项研究内容。