石墨烯集成细径光纤微结构的功能化机理及生物传感研究

Graphene-integrated fiber-optic device, as an effective approach to enhance the light-matter interaction, can achieve the all-optical signal modulation and environmental weak signal detection, and has received tremendous attention in the research of optoelectronics and sensing fields. This project aims to integrate the graphene and the microstructure in small-diameter fiber, explore the mechanisms of the evanescent field modulation and the surface-functionalization, and then develop novel multi-functional fiber devices for biosensing. The main research contents in this project are included: based on the full-vector finite-difference method, to study the propagation properties of lightwave, and the coupling behavior and the excitation principle between different modes in periodic microstructure modulated by different tilted angles in small-diameter fiber; by exploiting the complex optical constant and polarization-dependent coupling characteristics of graphene (oxide), to explore the interaction mechanism of graphene and optical field, and explain the effects of the material parameters on the spectral properties, polarization dependence and evanescent field distribution; with the help of the excellent biocompatibility of graphene, to functionalize the fiber surface through the covalent binding and π-π stacking interaction, develop the bio-selective fiber sensing device, and then analyze the recognition, detection and sensing performance of the bio-molecule. The obtained results will not only help to reveal the new coupling mechanism of fiber-optic evanescent field and two-dimension material, but also develop the applications of fiber-based microstructure in highly bio-selective and highly sensitive biosensing field.

石墨烯集成光纤器件是增强光与物质相互作用的一种有效途径，可实现全光信号调制和环境弱信号探测，已成为光电子和传感等领域新的研究热点。本项目旨在将细径光纤微结构与石墨烯相结合，探索其倏逝场调控和表面功能化机理，发展多功能的新型光纤生物传感器件。拟开展的主要研究内容包括：基于全矢量有限差分法，研究在不同倾斜角度调制下的细径光纤周期性微结构中，光波的传输特性及不同模式间的耦合行为和激发机制；利用(氧化)石墨烯的复光学常数和偏振耦合特性，探索石墨烯与光场相互作用机理，阐释材料参数对光纤微结构的光谱特性、偏振依赖性及倏逝场分布的影响机制；利用石墨烯的优异生物兼容性，通过共价结合和π-π堆积等方式功能化光纤表面，研制具有生物特异性的光纤传感器件，分析其生物分子识别、探测与传感特性。研究成果有助于揭示新型光纤倏逝场与二维材料的耦合机制，拓展光纤微结构在高度生物选择性、高灵敏度生物参量传感中的应用。

本项目从细径/集成光纤微结构的设计与制备出发，研究不同微结构的光波传输特性和模式耦合机理，探讨光纤表面集成二维材料的功能化对倏逝场和光谱特征的调谐特性，进一步利用光场与物质的相互作用，实现了光纤微结构感知能力增强和应用范围拓展。本项目完成的主要内容包括：① 研制了多种细径/级联/复合光纤光栅、干涉仪、微纳光纤等微结构，分析了其模式耦合特性和光谱特征；② 采用多种层状二维材料与倾斜光纤光栅、微纳光纤等微结构集成，分析了其在多参量传感、二阶非线性、全光调制/开关、光速控制中的应用机制；③ 采用表面集成氧化石墨烯、酶功能化等手段，分析了光纤器件在葡萄糖传感、超快湿度以及人类呼吸监测等方面的应用性能。取得的研究成果主要有：① 提出并制备了多种细径/级联/复合光纤光栅、干涉仪、微纳光纤等微结构，弄清了其模式耦合机制和梳状、非对称法诺共振光谱的产生机理；② 采用石墨烯、氧化石墨烯、硒化镓等集成倾斜光纤光栅、微纳光纤等，揭示了光场与材料的相互作用机制，以及实现了在多参量传感、二阶非线性、全光调制/开关、光速控制中的应用；③ 通过在光纤微结构表面集成氧化石墨烯、酶功能化等手段，实现了光纤微结构器件在葡萄糖传感、超快湿度以及人类呼吸监测等方面的应用。以上工作的完成，不仅揭示了新型光纤光场和光谱特征的调制机理，而且拓展了光纤微结构在高灵敏度生物传感、光调制/开关、非线性光学中的应用。相关研究成果共发表学术论文16篇，其中SCI收录14篇，国际会议论文2篇。此外，参与国内/国际会议邀请报告6次，申请国家发明专利1项等。