超小模式体积光纤一维光子晶体微腔传感器件及应用研究

The sensor is very meaningful for scientific research and practical use. Optical fiber sensor owns the peculiarities of low cost, low losses and convenient net interconnection. Micro-nano optical cavity immensely enriches methods to control light and dramatically increases the sensitivity of a sensor; Metal localized surface plasmon resonance (LSPR), which is widely used in the sensing field, can confine the light into a super-small vacuum and greatly enhance the interaction between light and matter. We creatively proposed the combination of a super small mode volume fiber-based one-dimensional photonic crystal cavity with the gold LSPR/monolayer molybdic sulfide to fabricate the super-high sensitivity hybrid sensing devices. Firstly, the focused helium ion beam etching technology is used to fabricate the fiber-based one-dimensional photonic crystal cavity. Then the hybrid sensing device is fabricated by combining the gold nanoparticle/monolayer molybdic sulfide and the microcavity through the micro-nano technologies such as ion beam deposition, thermal evaporation deposition and so on. At last, the performance of the hybrid device is researched in the fields of refractive index sensing and environmental humidity sensing. The realization of this project will greatly increase the sensitivity of fiber sensor device, expand the types of the fiber sensor and open up new fields for the fiber sensing applications.

传感器件对科学研究和实际应用都有非常重要的意义。光纤传感器件具有成本低、损耗小、方便连接入网等特点；微纳光学腔丰富了调控光的手段，大幅提高了传感器件的灵敏度；金属表面等离子体共振（LSPR）能够将光局域在极小的空间中，极大增强光与物质的相互作用，被广泛的应用于传感领域。我们创造性的提出将具有超小模式体积的光纤一维光子晶体微腔分别与金LSPR、单层二硫化钼结合，实现光纤光子学、微纳光子学与金LSPR/二维材料的交叉结合。首先，在微纳光纤上利用聚焦氦离子束刻蚀技术制备出Q值高于2000的一维光子晶体微腔。然后，利用离子束沉积、热蒸发等微纳加工手段分别将金纳米颗粒、单层二硫化钼集成到微腔中，制备新型集成传感器件。最后，实现新型器件在折射率传感、空气湿度传感的超高灵敏度检测。本项目的实现将极大的提高光纤传感器件的灵敏度，拓展光纤传感器件的类型，开辟光纤传感应用的新领域。

项目背景：.光纤传感器具有抗电磁干扰等诸多优点，被广泛应用于各种领域。本项目旨在通过新的物理机制来进一步提高传感器的灵敏度，拓展其应用场景。.主要研究内容：.通过解析计算和数值仿真计算建立超小模式体积高品质微纳光纤微腔模型，实验制备基于微纳光纤的超高灵敏度传感器件；数值仿真计算微纳光纤微腔与纳米颗粒、量子点等材料的相互作用，建立金属LSPR-激子强耦合模型、微纳光纤微腔-量子点强耦合模型；制备基于微纳光纤的超高灵敏度传感器，测量它们的温度、折射率探测灵敏度，并进行相关的应用研究：.重要结果、关键数据和科学意义：.理论设计的光纤微腔Q值达4750，模式体积约0.04 μm^3。 进一步理论设计了微腔-量子点强耦合系统，基于该体系的单光子源的量子效率的理论值高达99.5%，为实现基于光纤的单光子源以及全光纤量子通信提供了有力的理论基础。.基于上述微腔，进一步实现了微纳光纤的光镊，该系统理论可以实现对微纳米颗粒（聚苯乙烯颗粒，直径200 nm）的自组装功能，通过控制输入光的波长，可以实现对微纳颗粒的精准位移控制，精度达到纳米量级。.理论建立了激子-LSPR强相互作用的体系，通过这个体系理论实现了对量子点光力（排斥力和吸引力）的有效控制，理论实现了对量子点的灵活捕捉和释放。.实验制备了一种微纳光纤微腔，Q值大于10000，通过游标效应实现了其高灵敏度的温度传感（灵敏度提高约20倍）。.实验制备了一种具有超高灵敏度的光纤探针传感器。探针的直径约为10微米，可以实现对100 nL溶液的传感，同时可以实现精度为50 μm 的液位探测，这极大地提高了液位探测的精准度，有望应用于油气储存等领域中。.实验制备了一种超级结实的光纤耦合器。相比较于普通的光纤耦合器，其抗振动能力有了明显提高（进行了2米和3米的跌落实验）。该耦合器大幅提高了商用器件的物理机械性能，可以工作在更加严酷的环境中，有望应用于军事等领域。