基于空芯微结构光纤的光流谐振耦合增强机理与新型生化物质感测技术研究

Microstructured optical fibers (MOFs) are one kind of excellent waveguide medium and optofluidic carrier, where the micro-/nano-scale air holes serve as the natural microfluidic channels. The MOF-based microfluidic manipulation technology is of great scientific research significance as it paves a new way for the implementation of effective interaction between light and microfluids, photonic manipulation, and high performance biochemical sensing technology. In this project, we propose and demonstrate some innovative ideas such as a novel optofluidic biological laser based on a hollow-core MOF with microring resonator of hundred-nanometer thickness embedded in the fiber, the investigation of the interaction and coupling enhancement mechanism among photons, phonons and microfluids and putting forward novel sensing principle or technology with multi-parameter, high sensitivity and spatial resolution. Through this project, we hope grasp the key techniques of constructing the MOF-based optofluidic control system, propose and develop novel biochemical sensors with high performance for special applications such as material composition, concentration and immunity analysis. We also hope confirm the movement and interaction laws of photons and phonons in the proposed MOF-based microfluidic devices and reveal some novel physical phenomena . Our works would provide theoretical basis as well as technological foundation for the development of fast, portable, and multi-component biochemical trace analysis equipments.

微结构光纤是优秀的波导介质和理想的光流控载体。微结构光纤与微流的有机结合，为实现光与流体之间的高效相互作用、光子调控和新型高性能生化传感技术开辟了新的研究空间，具有重要的科学研究意义和诱人的应用前景。本项目提出利用一种空芯微结构光纤中具有内嵌百纳米厚度的微环谐振腔的特性来实现新型光流生物激光器，并研究谐振腔中光子、声子、微流之间的相互作用和相互耦合增强机制，提出多参数、高灵敏度、空间分辨的光子-声子-微流控传感新原理或新技术的创新性研究思路。通过本项目的研究，掌握微结构光纤光流控系统构建过程中涉及的关键工艺和技术，针对生化物质组分及浓度分析、免疫分析等特定应用需求，研制出新型或高性能的生物传感器；并确认光子、声子在提出的各种微结构光纤光流控器件中的运动规律、作用与互作用规律，对发现的诸多新奇物理现象给出正确理解和诠释。为实现多组分特异生化痕量物质检测设备提供理论基础和技术储备。

微结构光纤是优秀的波导介质和理想的光流控载体。微结构光纤与微流的有机结合，为实现光与流体之间的高效相互作用、光子调控和新型高性能生化传感技术开辟了新的研究空间，具有重要的科学研究意义和诱人的应用前景。本项目提出利用特定空芯微结构光纤中具有内嵌百纳米厚度的微环谐振腔的特性来实现新型光流生物激光器，并研究其中的光流谐振耦合增强机理与新型生化物质感测技术的创新思路。通过四年的深入研究和科研攻关，我们全面完成了本项目的主要研究内容，解决了主要科学问题，实现了项目的预期研究目标，取得如下系列创新性研究成果：解决并掌握了利用微结构光纤构造多组分、空间分辨光流控系统和器件中涉及的关键技术和工艺，成功搭建出基于微结构光纤的光流控测试分析平台；建立了研究空芯微结构光纤及光流谐振耦合增强机制的理论分析模型；发现、研究并揭示了空芯微结构光纤内嵌微环谐振腔中光流谐振耦合作用过程中的荧光增强、方向选频、能量共振转移、模式抑制、双斜率激光效率等诸多新现象和新机制；提出了基于空芯微结构光纤的单频、双频微腔激光器痕量物质感测新原理和新技术、以及基于光子晶体复合芯和谐振耦合原理的高灵敏度新型光流折射率传感技术等；成功研制并演示了基于空芯微结构光纤的单频、双频、超低阈值、能量共振转移等多种光流控生物激光器，并实现其在多样本、空间分辨的痕量物质感测中的创新应用。确认了光子在提出的几种微结构光纤光流控器件中的运动规律、作用与互作用规律，对发现的诸多新奇物理现象给出了正确理解和诠释。本项目的研究成果为生化痕量物质感测等应用领域提供了理论支撑和可行性技术方案。发表学术论文30篇，其中27篇为SCI索引论文（10篇为中科院二区及以上论文），研究工作受到国际同行关注，已被引用170余次。申报中国发明专利3项，其中2项获授权。培养博士生6人，硕士生3人。项目负责人在资助期内获中国产学研创新奖（个人）和天津青年科技奖。