光子晶體和納米光纖復(fù)合結(jié)構(gòu)微納光子學(xué)材料的研究進(jìn)展

納米光學(xué)科學(xué)主要研究了光與材料相互作用的規(guī)律以及光的產(chǎn)生、傳播、適應(yīng)、測(cè)量和傳感器的應(yīng)用，這是目前國(guó)際光學(xué)研究的先鋒和熱點(diǎn)之一。具有亞波長(zhǎng)特征的微結(jié)構(gòu)光明素及其微納集成石英材料的應(yīng)用是目前納米光學(xué)科學(xué)領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容。其中，條紋形狀的帶狀材料與半年級(jí)的材料相似，其周期性排列形成的周期性勢(shì)場(chǎng)對(duì)電子的傳輸有規(guī)律地影響，并在其帶狀結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了導(dǎo)帶和禁令帶。由于其獨(dú)特的電子傳輸性能，電子裝置和精細(xì)行業(yè)的快速發(fā)展是電子傳輸行業(yè)的基礎(chǔ)。并且，光矩陣也具有并且是光探測(cè)器和光銀行物理產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的基礎(chǔ)。由于周期性介質(zhì)電函數(shù)的調(diào)節(jié)和光矩陣中波容的矩陣效應(yīng)，光矩陣具有獨(dú)特的光矩陣能間隙效應(yīng)，可以有效控制微納規(guī)模內(nèi)的光矩陣傳輸。納米光纖可以利用光場(chǎng)局域表面的亞波長(zhǎng)規(guī)模來擴(kuò)大光場(chǎng)的面積，并通過遠(yuǎn)方場(chǎng)與周邊介質(zhì)相互作用。因此，廣州銀波和納米光學(xué)是研究微納規(guī)模下光與物質(zhì)相互作用的重要平臺(tái)，也是推動(dòng)新微納光束光的基本基礎(chǔ)。1光子晶體反滲透膜技術(shù)光子晶體是由兩種或者兩種以上的介電材料在空間周期性排列所構(gòu)成的一種新型的人工微結(jié)構(gòu)光子學(xué)材料,由于空間周期性介電分布對(duì)入射電磁波的調(diào)制作用,使得光子晶體具有光子能隙效應(yīng).由于不同介質(zhì)界面處強(qiáng)烈的布拉格散射效應(yīng),頻率落入光子能隙內(nèi)的電磁波將被光子晶體全部反射回來而不能通過光子晶體.類似于晶體材料,在光子晶體中引入缺陷,也會(huì)在光子能隙中產(chǎn)生相應(yīng)的缺陷態(tài).該缺陷結(jié)構(gòu)將支持具有一定共振頻率的電磁波模式,即缺陷模式.通過適當(dāng)設(shè)計(jì)缺陷結(jié)構(gòu)的參數(shù),可以使缺陷模式具有很高的透過率.非線性光子晶體是利用三階非線性光學(xué)材料來構(gòu)造的,其光子能隙的位置和寬度能夠隨著外部參數(shù)的變化而改變,可以實(shí)現(xiàn)全光調(diào)節(jié)、電場(chǎng)調(diào)節(jié)、磁場(chǎng)調(diào)節(jié)或者溫度調(diào)節(jié)光子能隙.利用非線性光子晶體能夠?qū)崿F(xiàn)多種微納光子器件,例如光子晶體全光開關(guān)、濾波器、低閾值激光器、波分復(fù)用器件等等.1.1光子晶體全光開關(guān)的發(fā)展光子晶體全光開關(guān)是一種重要的微納光子器件,在光通信、光計(jì)算和超快速信息處理等領(lǐng)域都具有非常重要的應(yīng)用前景.全光開關(guān)完全利用光子與物質(zhì)的相互作用來實(shí)現(xiàn)對(duì)光束傳輸過程的“開”與“關(guān)”的控制作用.利用光子晶體來實(shí)現(xiàn)全光開關(guān)的思想,最早是由Scalora在1994年提出來的.光子晶體全光開關(guān)的思想是指開始時(shí)一束探測(cè)光能夠通過光子晶體,當(dāng)一束抽運(yùn)光作用于光子晶體時(shí),探測(cè)光就被光子晶體全部反射回來而不能通過光子晶體,由此實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)光束傳輸過程的開關(guān)控制作用.光子晶體全光開關(guān)的實(shí)現(xiàn),主要依賴光子與非線性光子晶體的相互作用.光子晶體全光開關(guān)的思想提出以后,人們進(jìn)行了大量的理論探索,提出了很多實(shí)現(xiàn)光子晶體全光開關(guān)的方法,例如,利用由非線性光學(xué)效應(yīng)引起的光子帶隙或者缺陷模式的移動(dòng),以及雙穩(wěn)態(tài)、光子態(tài)密度變化等效應(yīng),都可以用來實(shí)現(xiàn)全光開關(guān).由于在實(shí)際測(cè)量中存在困難,在實(shí)驗(yàn)中通常采用光子帶隙遷移機(jī)理和缺陷模式遷移機(jī)理.1.1.1抽運(yùn)光作用下光子帶隙遷移機(jī)理對(duì)于三階非線性光子晶體,如果非線性介質(zhì)具有正的三階非線性折射率,可以選擇探測(cè)光的波長(zhǎng)位于光子帶隙的短波帶邊,開始時(shí)探測(cè)光不能通過光子晶體.此時(shí),光開關(guān)處于“關(guān)”的狀態(tài).選擇抽運(yùn)光的波長(zhǎng)位于光子晶體的導(dǎo)帶,并且遠(yuǎn)離光子帶隙.依據(jù)三階非線性光學(xué)Kerr效應(yīng),非線性介質(zhì)的折射率與抽運(yùn)光強(qiáng)成正比關(guān)系.在抽運(yùn)光的作用下,非線性材料的折射率增大,使得光子晶體的有效折射率增加,光子帶隙向長(zhǎng)波方向移動(dòng).此時(shí),探測(cè)光將位于光子晶體的導(dǎo)帶,能夠通過光子晶體,光開關(guān)處于“開”的狀態(tài).同樣,如果非線性介質(zhì)具有負(fù)的三階非線性系數(shù),可以選擇探測(cè)光位于光子帶隙的長(zhǎng)波帶邊,開始時(shí)探測(cè)光不能通過光子晶體,但是在抽運(yùn)光的作用下,非線性材料的折射率減小,使得光子晶體的有效折射率變小,光子帶隙會(huì)向短波方向移動(dòng),這就導(dǎo)致探測(cè)光位于光子晶體的導(dǎo)帶,可以通過光子晶體.這樣,通過抽運(yùn)光的激發(fā)作用,使光子帶隙發(fā)生遷移,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)探測(cè)光傳輸過程的開、關(guān)控制作用.光子帶隙遷移機(jī)理要求光子晶體光子帶隙的邊緣很陡.1.1.2抽運(yùn)光的作用根據(jù)光子晶體的光子局域理論,如果在光子晶體中引入缺陷,該缺陷將支持一個(gè)諧振的電磁場(chǎng)模式,在光子帶隙中出現(xiàn)相應(yīng)的缺陷態(tài).選擇合適的缺陷結(jié)構(gòu)和參數(shù),可以使缺陷模式具有很高的透過率.選擇抽運(yùn)光位于光子晶體的導(dǎo)帶,且遠(yuǎn)離光子帶隙.選擇探測(cè)光的波長(zhǎng)位于缺陷模的中心波長(zhǎng),開始時(shí)探測(cè)光能夠通過光子晶體.此時(shí),光開關(guān)處于“開”的狀態(tài).在抽運(yùn)光的作用下,由于三階非線性光學(xué)Kerr效應(yīng),光子帶隙發(fā)生移動(dòng),相應(yīng)地缺陷模式的中心波長(zhǎng)也發(fā)生改變,使得缺陷模式在光子帶隙中的位置發(fā)生移動(dòng),探測(cè)光的波長(zhǎng)遠(yuǎn)離缺陷模式的中心并落入光子帶隙中,探測(cè)光就被光子晶體全部反射回來而不能通過光子晶體,光開關(guān)就處于“關(guān)”的狀態(tài).這樣,利用抽運(yùn)光的激發(fā)作用,使缺陷模式發(fā)生遷移,也可以實(shí)現(xiàn)全光開關(guān)效應(yīng).這種方法不受光子帶隙邊緣斜率的影響,而且,缺陷引起的光子局域效應(yīng)對(duì)非線性效應(yīng)還有顯著的增強(qiáng)作用,這都有利于光子晶體全光開關(guān)的實(shí)現(xiàn).這種方法的缺點(diǎn)是對(duì)缺陷模式的品質(zhì)因數(shù)要求較高,較低的Q值難以實(shí)現(xiàn)很高的探測(cè)光透過率對(duì)比.1.2結(jié)構(gòu)光開關(guān)效應(yīng)的應(yīng)用全光開關(guān)的3個(gè)重要指標(biāo)分別是:低抽運(yùn)功率、超快速時(shí)間響應(yīng)和高開關(guān)效率,即探測(cè)光在導(dǎo)通和關(guān)閉兩種狀態(tài)下有很大的透過率(或者反射率)對(duì)比.由于通常的非線性光學(xué)材料的三階非線性光學(xué)系數(shù)相對(duì)較小,使得光子晶體全光開關(guān)的抽運(yùn)功率很高,通常在GW/cm2的量級(jí).雖然通過近共振增強(qiáng)非線性光學(xué)效應(yīng),能夠提高材料的三階非線性光學(xué)系數(shù),但是材料的非線性時(shí)間響應(yīng)將變慢,無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)低功率、高開關(guān)效率和超快速開關(guān)時(shí)間響應(yīng).這就嚴(yán)重制約了光子晶體全光開關(guān)的實(shí)際應(yīng)用.利用高品質(zhì)因數(shù)光子晶體微腔的較強(qiáng)光子局域效應(yīng)來增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用,以及構(gòu)造出超快響應(yīng)、高非線性光學(xué)系數(shù)的非線性光學(xué)材料,是實(shí)現(xiàn)低功率光子晶體全光開關(guān)的兩條有效途徑.Tanabe制備出一種硅基二維光子晶體微腔,這種光子晶體微腔能夠支持兩個(gè)缺陷模式:模式C和模式S.模式C的中心波長(zhǎng)是1530nm,品質(zhì)因數(shù)是11500;模式S的中心波長(zhǎng)是1568nm,品質(zhì)因數(shù)是23000;利用脈沖寬度是3.7ps、重復(fù)頻率是10MHz的激光器輸出的1530nm激光作為抽運(yùn)光,一臺(tái)連續(xù)激光器發(fā)出的1568nm的激光作為探測(cè)光.利用倏逝場(chǎng)耦合的方式將抽運(yùn)激光耦合到模式C中,將探測(cè)激光耦合到模式S中.利用高品質(zhì)因數(shù)光子晶體微腔的較強(qiáng)的光子局域效應(yīng),在能量為100fJ的弱抽運(yùn)光作用下,由于硅雙光子吸收引起折射率的改變,引起光子晶體的有效折射率改變,缺陷模式中心波長(zhǎng)發(fā)生移動(dòng),使探測(cè)光透過率改變,從而實(shí)現(xiàn)了光開關(guān)效應(yīng),開關(guān)效率達(dá)到10%,響應(yīng)時(shí)間達(dá)到50ps.Kim利用InGaAsP半導(dǎo)體量子阱材料,制備出一種二維光子晶體微腔,其共振波長(zhǎng)位于1611nm,品質(zhì)因數(shù)達(dá)到2200.在波長(zhǎng)是980nm的抽運(yùn)激光作用下,通過較強(qiáng)的單光子吸收效應(yīng),引起InGaAsP半導(dǎo)體量子阱材料的折射率改變,使得光子晶體的有效折射率改變,引起光子晶體微腔共振頻率遷移,從而實(shí)現(xiàn)了光開關(guān)效應(yīng).抽運(yùn)光子能量達(dá)到75.4fJ,響應(yīng)時(shí)間達(dá)到13ns,開關(guān)效率達(dá)到10%.我們提出了一種通過激發(fā)態(tài)電荷轉(zhuǎn)移同時(shí)實(shí)現(xiàn)材料的超快速非線性時(shí)間響應(yīng)和近共振增強(qiáng)非線性光學(xué)效應(yīng)的新方法,在利用近共振增強(qiáng)非線性光學(xué)效應(yīng)的同時(shí),通過分子間的超快速電荷轉(zhuǎn)移過程,能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)材料的較大的三階非線性光學(xué)系數(shù)和超快速的非線性時(shí)間響應(yīng).利用此方法,制備出具有較大三階非線性光學(xué)系數(shù)和超快速時(shí)間響應(yīng)的聚苯乙烯/香豆素染料有機(jī)復(fù)合材料.聚苯乙烯和香豆素染料的線性吸收帶相互重疊.利用聚焦離子束刻蝕技術(shù),制備出厚度為300nm的復(fù)合材料二維正方晶格光子帶隙微腔,利用飛秒抽運(yùn)-探測(cè)方法測(cè)量全光開關(guān)效應(yīng).在近共振激發(fā)的條件下,有機(jī)復(fù)合材料的三階非線性光學(xué)系數(shù)被大大增強(qiáng),復(fù)合材料的有效非線性折射率達(dá)到10-7esu,抽運(yùn)光的強(qiáng)度降低到110kW/cm2,將光開關(guān)的抽運(yùn)功率降低了4個(gè)數(shù)量級(jí).還獲得了80%的高開關(guān)效率.而且,利用染料分子和聚合物分子之間的激發(fā)態(tài)快速電荷轉(zhuǎn)移過程,獲得了1.2ps的超快速光開關(guān)的時(shí)間響應(yīng),實(shí)現(xiàn)了超快速低功率光子晶體全光開關(guān).我們還提出了一種利用表面等離激元共振增強(qiáng)非線性光學(xué)系數(shù)和激發(fā)態(tài)能量轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)超快速時(shí)間響應(yīng)的方法.利用此方法制備出一種納米復(fù)合材料nano-Ag:MEH-PPV,該納米復(fù)合材料是由在有機(jī)共軛非線性材料MEH-PPV中摻雜高非線性的銀納米顆粒所構(gòu)成的.銀納米顆粒的摻雜濃度是32%.利用聚焦離子束刻蝕技術(shù)制備出厚度為450nm的正方晶格nano-Ag:MEH-PPV光子晶體.光子晶體的SEM照片如圖1(a)所示,晶格常數(shù)是260nm,空氣孔直徑是200nm.利用飛秒抽運(yùn)-探測(cè)方法測(cè)量nano-Ag:MEH-PPV光子晶體的全光開關(guān)效應(yīng).摻鈦藍(lán)寶石飛秒激光器(型號(hào)Mira900F,脈沖寬度120fs,重復(fù)頻率76MHz)作為激光光源.利用倏逝場(chǎng)耦合方法將探測(cè)激光的能量耦合到光子晶體中.選擇400nm的飛秒激光作為抽運(yùn)激光,抽運(yùn)光的波長(zhǎng)位于銀納米顆粒的表面等離激元共振峰附近,同時(shí)也位于MEH-PPV的線性吸收帶內(nèi).波長(zhǎng)為799nm的飛秒激光作為探測(cè)激光,探測(cè)激光位于光子晶體的空氣導(dǎo)帶的帶邊.當(dāng)探測(cè)光脈沖在時(shí)間上遠(yuǎn)離抽運(yùn)光脈沖時(shí),探測(cè)光的透過率達(dá)到80%,光開關(guān)處于“開”的狀態(tài).在400nm的抽運(yùn)光作用下,由于銀納米顆粒表面等離激元共振增強(qiáng)非線性光學(xué)效應(yīng),nano-Ag:MEH-PPV復(fù)合材料能夠提供較大的非線性光學(xué)系數(shù),三階非線性極化率達(dá)到10-6esu的量級(jí).由于nano-Ag:MEH-PPV的非線性折射率是負(fù)值,在抽運(yùn)光的作用下,nano-Ag:MEH-PPV的有效折射率降低,光子帶隙向短波方向移動(dòng),探測(cè)光的透過率逐漸降低.當(dāng)抽運(yùn)光脈沖和探測(cè)光脈沖在時(shí)間上完全重疊時(shí),探測(cè)光的透過率達(dá)到最小值～20%,此時(shí),光開關(guān)處于“關(guān)”的狀態(tài).探測(cè)光的透過率對(duì)比達(dá)到60%,如圖1(b)所示.在共振激發(fā)的條件下,MEH-PPV激發(fā)態(tài)電子弛豫的特征時(shí)間是147ps.由于MEH-PPV分子和銀納米顆粒之間存在較快的激發(fā)態(tài)能量轉(zhuǎn)移過程,使得光開關(guān)的時(shí)間響應(yīng)達(dá)到35ps.同時(shí),抽運(yùn)光強(qiáng)降低到0.2MW/cm2,實(shí)現(xiàn)了超快速、低功率光子晶體全光開關(guān).另外,我們還制備出一種nano-Ag:polystyrene復(fù)合材料,銀納米顆粒的摻雜濃度是20%.利用二維nano-Ag:polystyrene復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)的全光開關(guān)效應(yīng)如圖1(c)所示.在400.8nm的抽運(yùn)激光作用下,nano-Ag:polystyrene復(fù)合材料的三階非線性極化率達(dá)到10-8esu的量級(jí),波長(zhǎng)為801.5nm的探測(cè)光的透過率對(duì)比達(dá)到60%.銀納米顆粒表面等離激元的超快速弛豫過程,使得光開關(guān)的時(shí)間響應(yīng)達(dá)到5ps.抽運(yùn)光強(qiáng)降低到1.02MW/cm2,同樣實(shí)現(xiàn)了超快速、低功率光子晶體全光開關(guān).另外,為了實(shí)現(xiàn)可調(diào)超快開關(guān)時(shí)間響應(yīng),我們?cè)趎ano-Ag:MEH-PPV復(fù)合材料中摻入CdTeS半導(dǎo)體量子點(diǎn),從而構(gòu)成多組分的納米復(fù)合材料.CdTeS半導(dǎo)體量子點(diǎn)的平均直徑是7nm.波長(zhǎng)為400nm的激光位于其線性吸收帶內(nèi).由于具有較強(qiáng)的量子局域效應(yīng),CdTeS量子點(diǎn)也具有較大的非線性折射率.在400nm的激光共振激發(fā)的條件下,CdTeS量子點(diǎn)的引入,使得nano-Ag:MEH-PPV復(fù)合材料激發(fā)態(tài)電子的弛豫過程又增加了一條快速通道.原來在MEH-PPV分子到銀納米顆粒之間,通過激發(fā)態(tài)能量轉(zhuǎn)移而形成一條較慢的弛豫通道,特征時(shí)間為35ps;摻雜CdTeS量子點(diǎn)后,在MEH-PPV分子到CdTeS量子點(diǎn)之間存在一個(gè)特征時(shí)間為2ps的激發(fā)態(tài)電荷轉(zhuǎn)移過程,隨后,從CdTeS量子點(diǎn)到銀納米顆粒之間,又存在ps量級(jí)時(shí)間尺度的、通過Auger過程輔助的激發(fā)態(tài)能量轉(zhuǎn)移過程,這樣就構(gòu)成一個(gè)快速的激發(fā)態(tài)電子弛豫通道.通過改變CdTeS量子點(diǎn)的摻雜濃度,利用快速和慢速兩個(gè)弛豫通道之間的競(jìng)爭(zhēng),就能夠改變時(shí)間響應(yīng)特性.我們利用聚焦離子束刻蝕技術(shù)制備出摻雜CdTeS量子點(diǎn)的nano-Ag:MEH-PPV復(fù)合材料二維正方晶格光子晶體,利用飛秒抽運(yùn)-探測(cè)方法測(cè)量全光開關(guān)效應(yīng),測(cè)得的光子晶體全光開關(guān)效應(yīng)如圖2所示.抽運(yùn)光的波長(zhǎng)是399.25nm,抽運(yùn)光強(qiáng)為120kW/cm2.探測(cè)光波長(zhǎng)為798.5nm,位于光子帶隙的長(zhǎng)波邊緣,開始時(shí),探測(cè)光的透過率達(dá)到最小值(～20%),光開關(guān)處于“關(guān)”的狀態(tài).在抽運(yùn)光的共振激發(fā)條件下,復(fù)合材料能夠提供較大的非線性光學(xué)系數(shù).當(dāng)探測(cè)光脈沖和抽運(yùn)光脈沖在時(shí)間上完全重合時(shí),探測(cè)光的透過率達(dá)到最大值(～80%).開關(guān)效率達(dá)到60%.當(dāng)CdTeS量子點(diǎn)的摻雜濃度是10%時(shí),由于兩個(gè)弛豫通道之間的競(jìng)爭(zhēng),使得光開關(guān)的時(shí)間響應(yīng)達(dá)到28.1ps;當(dāng)CdTeS量子點(diǎn)的摻雜濃度是27%時(shí),光開關(guān)的時(shí)間響應(yīng)達(dá)到14.5ps.實(shí)現(xiàn)了可調(diào)開關(guān)時(shí)間響應(yīng)的光子晶體光開關(guān).這些研究成果不僅能夠促進(jìn)全光開關(guān)器件的實(shí)際應(yīng)用,而且為非線性光學(xué)新材料的研究提供了一條新的途徑.2納米光纖的特性納米光纖是一種直徑接近或小于光波長(zhǎng)尺度的光導(dǎo)纖維,與其他種類的納米線寬光波導(dǎo)(比如硅基平面波導(dǎo)、金屬表面等離子體波導(dǎo))相比,納米光纖具有易于制備、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、均勻度高、傳輸損耗低、物化性能穩(wěn)定和機(jī)械強(qiáng)度高等特點(diǎn),而且可以方便地與現(xiàn)有光纖系統(tǒng)耦合和集成,近年來受到越來越多的關(guān)注.由于納米光纖的直徑接近或小于傳輸光的波長(zhǎng),光纖與環(huán)境包層之間的折射率差很大,使得納米光纖具有一些有趣的光學(xué)特性,比如,強(qiáng)的光場(chǎng)約束能力可以將光約束在具有亞波長(zhǎng)截面的模場(chǎng)上傳輸,異常波導(dǎo)色散可以遠(yuǎn)高于材料色散,從而使總色散取值范圍比常規(guī)光纖大幾個(gè)數(shù)量級(jí).另外,高溫拉伸法制備的納米光纖均勻度很好,機(jī)械強(qiáng)度很高.這些特性使得納米光纖在光纖光學(xué)、近場(chǎng)光學(xué)、非線性光學(xué)、量子光學(xué)等基礎(chǔ)研究和微納尺度的光傳輸、耦合、調(diào)制、諧振、放大、傳感等器件方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值.2.1單納米線氣體傳感器一維納米材料如納米線、納米帶和納米管具有獨(dú)特的導(dǎo)波特性和控制光子傳輸?shù)墓δ?在物理、化學(xué)和生物傳感器等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景.由于納米材料的小尺寸和大表面體積比,使得它們對(duì)外界環(huán)境表現(xiàn)出很快的響應(yīng)速度和很高的靈敏度.到目前為止,絕大多數(shù)單納米線傳感器都是基于電導(dǎo)率變化原理而實(shí)現(xiàn)的,電學(xué)單納米線由于截面積小,電阻很大,傳感器結(jié)構(gòu)中只要有很小的寄生電容就可使時(shí)間響應(yīng)變得很慢.這就限制了單納米線氣體傳感器的實(shí)際應(yīng)用.Gregor指出,如果使用光信號(hào)來進(jìn)行檢測(cè)就可以避免這個(gè)問題,而且光學(xué)檢測(cè)還有高靈敏度、不受電磁干擾、可在易燃和易爆環(huán)境下安全使用等優(yōu)點(diǎn).Gregor制備出一種聚合物微球-光纖錐氣體傳感器,將直徑為50μm的聚苯乙烯微球與直徑為1.2μm的光纖錐耦合在一起,聚苯乙烯微球可作為高品質(zhì)因數(shù)的諧振腔,品質(zhì)因數(shù)可達(dá)6×105,聚苯乙烯微球支持線寬很窄的耳語(yǔ)廊(whisperinggallery)共振模式.隨著周圍氣體組分的變化,微腔周圍環(huán)境的氣體的熱傳導(dǎo)特性也發(fā)生改變,引起微腔的共振頻率發(fā)生遷移.通過測(cè)量微腔共振頻率的遷移,就能夠監(jiān)測(cè)氣體組分的變化情況.Kumar利用化學(xué)氣相沉積的方法制備出直徑是65μm、長(zhǎng)度是12μm的In2O3納米線,利用In2O3納米線實(shí)現(xiàn)了乙醇?xì)怏w傳感器,測(cè)量靈敏度可以達(dá)到1000ppm.Hernandez制備出直徑是3μm的光子晶體光纖錐,該光纖錐支持兩個(gè)相干的高階模式HE05和HE06.當(dāng)光纖錐周圍環(huán)境中的氣體濃度發(fā)生變化時(shí),引起光纖錐表面氣體介質(zhì)的折射率發(fā)生改變,使得光子晶體光纖的透過率發(fā)生改變,從而能夠檢測(cè)氣體濃度的變化,檢測(cè)靈敏度達(dá)到0.792g/cm3.但是,這些單納米線氣體傳感器需要復(fù)雜的制備工藝.我們提出了一種制備方法簡(jiǎn)單、操作方便的高分子納米線氣體傳感器的實(shí)現(xiàn)途徑.高分子納米線具有非常獨(dú)特的性質(zhì),氣體分子不但可以在納米線的表面吸附,而且可以滲透進(jìn)入納米線內(nèi)部;它可以在納米線中摻雜各種功能材料,修飾及功能化非常方便;此外,還具有韌性好和成本低等優(yōu)點(diǎn).我們直接從摻雜的高分子溶液里面拉制出了具有特定功能的高分子納米線,并用拉錐的微納光纖通過倏逝波耦合把光輸入和輸出高分子納米線,研制成光學(xué)氣體傳感器.從Polyacrylamide(PAM)的水溶液中拉制出直徑為410nm、長(zhǎng)度為250μm的單根PAM納米線.如圖3所示,如果周圍空氣的相對(duì)濕度較高,水分子就能夠擴(kuò)散到納米線內(nèi)部,使得PAM的折射率減小,PAM納米線與襯底的折射率對(duì)比降低,使得在PAM納米線中傳輸?shù)墓獠芰恐饾u通過倏逝場(chǎng)泄漏掉,引起探測(cè)光透過率降低.通過探測(cè)光透過率的變化,就可以測(cè)量環(huán)境相對(duì)濕度的變化情況.PAM納米線濕度傳感器的響應(yīng)時(shí)間約為30ms,比現(xiàn)有的電學(xué)濕度傳感器快1—2個(gè)數(shù)量級(jí).另外,利用直徑為250nm的polyaniline/polystyrene(PANI/PS)納米線來實(shí)現(xiàn)NO2氣體傳感器.當(dāng)PANI/PS納米線曝露在NO2氣體中時(shí),PANI的氧化程度增加,PANI/PS納米線對(duì)波長(zhǎng)為532nm的探測(cè)光的吸收增加.隨著NO2氣體濃度的增加,PANI/PS納米線對(duì)探測(cè)光的吸收與PANI的氧化程度成正比,檢測(cè)二氧化氮?dú)怏w濃度可至0.1ppm以下,具有很高的靈敏度.響應(yīng)時(shí)間達(dá)到7s.另外,我們還利用直徑為290nm的romothymolblue/poly(methylmethacrylate)(BTB/PMMA)納米線實(shí)現(xiàn)了高靈敏度的NH3氣體傳感器,當(dāng)NH3氣體分子擴(kuò)散到BTB/PMMA納米線中時(shí),NH3的作用將使BTB的構(gòu)型發(fā)生變化,使得BTB/PMMA納米線對(duì)660nm探測(cè)光的吸收增強(qiáng).對(duì)NH3氣體的檢測(cè)靈敏度可以達(dá)到3ppm,響應(yīng)時(shí)間可達(dá)1.8s.2.2微納mach-zhshen干涉器的研制在傳統(tǒng)的光通信、光傳感等領(lǐng)域,Mach-Zehnder干涉器是非常重要的相位檢測(cè)器件,基于Mach-Zehnder干涉結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)展了包括光調(diào)制器、光傳感器等一系列重要器件.在新型的微納光子器件中,Mach-Zehnder干涉器將同樣發(fā)揮重要作用.人們提出了很多種結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)微納尺寸的Mach-Zehnder干涉器,例如利用空心的介質(zhì)波導(dǎo)、利用波導(dǎo)-微腔耦合系統(tǒng)、利用光子晶體波導(dǎo)等等.但是這些微納Mach-Zehnder干涉器的制備工藝非常復(fù)雜,而且兩個(gè)干涉臂的長(zhǎng)度很難進(jìn)行調(diào)控,這就使得微納Mach-Zehnder干涉器的實(shí)際應(yīng)用受到很大的限制.我們利用納米光纖的高效靈活的倏逝波耦合和很短的能量轉(zhuǎn)換長(zhǎng)度等優(yōu)點(diǎn),利用納米光纖制備成微納光纖Mach-Zehnder干涉器.首先將標(biāo)準(zhǔn)單模二氧化硅光纖拉制成直徑是1μm的微納光纖,通過在光學(xué)顯微鏡下的微納操縱,在MgF2襯底上研制成低損耗微型Mach-Zehnder干涉器.寬帶的入射光通過倏逝場(chǎng)耦合到兩個(gè)干涉臂中,在出射端口能夠獲得清晰的干涉圖案,消光比大于10dB.兩個(gè)干涉臂之間的光程差可以很容易地通過微納操縱來進(jìn)行調(diào)節(jié).另外,我們還拉制成直徑僅為480nm的碲酸鹽納米光纖,通過光學(xué)顯微鏡下的微納操縱,研制成低損耗微型Mach-Zehnder干涉器,如圖4所示.整個(gè)Mach-Zehnder干涉器的尺寸僅為50μm×50μm.通過倏逝場(chǎng)耦合方法將探測(cè)光的能量耦合到干涉臂中,耦合長(zhǎng)度僅為5μm,而且干涉效果非常明顯,消光比達(dá)到8dB.整個(gè)Mach-Zehnder干涉器的損耗很小,只有0.1dB/mm.另外,可以很方便地通過微納操縱來調(diào)節(jié)干涉器兩臂的光程差.該結(jié)果為進(jìn)一步研制用于光通信和光分析的微納光子器件提供了可能.2.3金屬-介質(zhì)納米線復(fù)合材料耦合結(jié)構(gòu)器件隨著光通信、光計(jì)算等大容量高速光信息傳輸和處理技術(shù)的發(fā)展,光子器件及其互聯(lián)光路的特征尺寸向亞波長(zhǎng)和納米尺度邁進(jìn),具有突破光的衍射極限約束能力、