《基於飛秒雷射刻蝕微腔的光子晶體光纖流體感測研究》是依託南開大學，由張偉剛擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於飛秒雷射刻蝕微腔的光子晶體光纖流體感測研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：張偉剛
- 依託單位：南開大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
本項目研究利用飛秒雷射在光子晶體光纖上蝕刻微腔，系統開展具有微腔結構且對流體(液體、氣體)敏感的新型光子晶體光纖感測的機理表征、結構設計及感測實驗等套用基礎研究。根據光子晶體光纖的特點，探索微腔蝕刻方法和成腔技術，在光子晶體光纖上設計並蝕刻微腔。研究微腔特徵量與流體感測量之間的依賴關係和表征形式，建立具有微腔結構的光子晶體光纖流體感測模型和計算程式，數值模擬並分析微腔的深寬比、形狀、陣列分布等因素對流體感測特性的影響。探索微腔介質載入新方法和實用技術，對光子晶體光纖進行選擇填充（分層、定位填充）實驗。構建新型光子晶體光纖流體感測實驗系統，實現對液體和氣體的高靈敏度感測，探索光子晶體光纖微腔流體感測技術的套用。當在同一根光子晶體光纖上蝕刻陣列微腔（或者在纖芯及包層上形成光柵結構）並構成感測網路時，可以實現多參量、多維度、高精度感測測量，這對發展新一代光子晶體光纖感測技術具有非常重要的意義。
結題摘要
設計並搭建了飛秒雷射微加工系統，詳細研究了飛秒雷射與光子晶體光纖的作用機理，研究了飛秒雷射功率密度、光斑大小、聚焦所用顯微物鏡的數值孔徑、聚焦光斑與光纖的相對位置、橫向掃描速率等參數對刻蝕光纖微腔的影響，實驗過程中結合吹氣法和超音波清洗、腐蝕等後處理技術，熟練掌握了飛秒雷射微加工光纖微腔的關鍵技術。基於飛秒刻蝕微腔實驗，建立了非平行壁光纖微腔模型和分析理論，設計並製作出基於單模光纖的高質量V型F-P微腔、U型M-Z微腔及其微腔陣列，定量研究了不同微腔結構參數（深寬比、傾斜度和底角）對微腔透射光譜特性及流體感測特性的影響。利用上述飛秒雷射微加工技術，成功製作出光子晶體光纖微腔，結合全矢量有限元方法並參考上述微腔模型和分析理論，實現了對摺射率引導型PCF微腔的理論計算和性能分析，數值模擬了分層填充對光子帶隙型PCF的插入損耗、帶隙結構和模場分布的影響。設計並構建了光纖微腔液體感測平台，對刻蝕的V型光纖F-P微腔和U型光纖M-Z微腔進行了典型液體濃度及折射率的線上檢測，並建立了折射率感測器的性能評價理論。實驗獲得的蔗糖水溶液折射率感測靈敏度高達-12937.31nm/RIU。同時，設計並構建了氣體感測平台，設計製作出光纖微腔氣體感測所用氣室，對CO2氣體進行了濃度線上檢測，初步實現了不同濃度及成分的氣體感測測量。套用研究表明，光纖微腔很適用於特殊環境下的高精度“點”式測量。將刻蝕的光學微腔成功套用於光纖環衰盪腔系統之中，分析了該系統的探測原理，建立了用於微流體吸收探測的衰盪時間、損耗及待測流體濃度的理論關係。利用光纖環衰盪腔系統，實現了對微量流體濃度的吸收譜高靈敏度探測。通過本項目的研究，掌握了光纖微腔側面介質載入關鍵技術，實現了光子晶體光纖分層定位填充，並進行了典型流體感測實驗。並最終對新型光纖微腔感測的機理表征、結構設計、器件研製以及感測實驗等進行了系統研究，取得了多項創新型研究成果。出版學術著作 1部，發表學術論文35篇，其中已被 SCI索引16篇，EI索引17篇；獲得發明專利1項和實用新型專利2項，申請發明專利1項；培養博士4名，碩士8名，高質量地完成了任務書的各項研究內容。
