微结构光纤制备与新型器件集成研究

Over the past several decades, optical fiber technology has evolved from a unitary signal transmission media into novel integrated multi-functional materials with capability for information transmission, exchange and retrieval as well as for light and matter interaction. Further researches into novel microstructured optical fibers, and methods for fabricating related fiber devices and integrating multi functionality are fundamentally important in enhancing the efficiency of light-matter interaction and improving the capability of information retrieval and detection. This project aims to develop novel microstructured optical fibers with multiple optical channels and integrated channels for simultaneously confinement of light and matters, to develop novel multi-functional, miniature and integrated all-fiber photonic devices, to develop new techniques for high sensitivity trace gas and liquid detection based on phototothermal effect in microstructured fibers, and to develop novel high-precision live-cell Raman measurement method by use of coaxial twin core fiber.

光纤技术经过几十年的发展，已经由最初的单一信号传输器件演化为不仅能传输光信号，而且具有信息交换、信息获取以及光与物质相互作用等多功能集成的新型光信息基础材料与器件。深入开展新型微结构光纤与器件集成制造方法的研究，对于拓展光纤新技术在光与物质相互作用的增强、信息获取与探测效率的提高具有十分重要的意义。本项目旨在发展多光学通道、光学通道与物质通道复合集成的新型光纤；发展光与物质相互作用的多功能微型化、集成化新器件；采用光热物理效应，拓展光纤信息获取与感测新原理，解决痕量气体和液体的高精度检测问题。采用同轴双波导光纤，发展能实现高精度活体细胞拉曼测量的新方法。

本项目的目标是发展多光学通道以及光学通道与物质通道复合集成的新型光纤；发展光与物质相互作用的多功能微型化、集成化新器件；发展能实现高精度检测的新方法，拓展光纤传感新原理。解决新型微结构光纤及器件集成关键技术问题，为上述国家重大需求提供技术储备和关键技术支撑。为此完成了以下三部分研究内容：.1. 掌握了具有增强效果的光-物质相互作用的微结构光纤及微单元的制备方法，开展了功能器件集成技术的研究。项目期间，设计并制备了4种增强光与物质相互作用的微结构光纤，包括：单孔双芯光纤、双孔双芯光纤、同轴双波导光纤和微纳光纤；研制出4种新型微结构光纤器件，包括： 基于受激拉曼色散的相位调制器、基于微纳光纤的光热相位调制器、光热效应微纳光纤气体传感器、偏孔双芯光纤干涉仪传感器。.2. 研究了在微小尺度（光纤微结构）范围内物质（气体、液体）激光吸收伴生热效应所引起的温度、压力和密度分布的变化，以及在不同激励（泵浦）激光条件下对不同类型微结构光纤中光波模式相位的调制能力。建立了特定气态、液态物质光热激发与调制关系的物理模型，深入了解全光调制过程。形成基于光热效应的多点、高灵敏度痕量物质检测系统。通过对光热效应产生和消散过程，检测噪声及其它性能限制因素的研究，使其达到最优的性能和最佳探测灵敏度，实现超高灵敏度（ppb 量级）光纤痕量监测系统。.3. 研究了基于光纤束拉锥的方法制备出适合于同轴双波导光纤的连接器，实现了环形芯波导和中间芯波导的独立连接。我们还通过锥体圆台光纤端微加工方法，在其纤端制备了环形光束全反射聚焦微结构，实现了大数值孔径紧致焦斑的调控，使得在降低总的激发光功率的前提下仍然能获得有效的光谱信号强度，以减小光热效应对活体细胞的影响。实现对液体中的掺有荧光分子的聚苯乙烯微球的三维光捕获和荧光光谱的实时测量。