微结构光纤制备与新型器件研究成果展示
在国家自然科学基金委重点项目(61535004)的资助下，哈尔滨工程大学物理与光电工程学院苑立波教授团队和香港理工大学靳伟教授团队合作，共同完成了“新型微结构光纤与器件集成研究”项目的研究。该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；发展能实现高精度检测的新方法，拓展光纤信息获取与感测新原理。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。
在项目期间，两个团队围绕新型微结构光纤及其集成器件展开研究，取得了丰硕科研成果。
成果1：纤端光操纵: 光镊·光手·光枪
自1986年光镊技术被发现以来, 光的力学效应的研究与应用成为了光学研究中的一个重要分支。不同于传统的显微镜构造的光镊平台, 基于环形芯光纤的光镊为更多维的粒子操纵提供了方便, 并能使得显微系统与操纵系统分开来。光镊能实现对粒子的捕获, 但如果要进一步地对粒子的姿态进行操纵, 就需要基于多芯光纤的光学微光手, 而如果想要将捕获粒子发射出去, 就需要基于同轴双波导光纤的光枪。
哈尔滨工程大学物理与光电工程学院苑立波教授团队在纤端光学微小粒子操纵领域取得重要进展，发展了基于微结构特种光纤和多芯光纤的多功能粒子操纵工具，实现了光镊、光手、光枪等功能。其最新成果“Fiber-Based Optical Gun for Particle Shooting”在ACS photonics上发表。并在CHINESE OPTICS LETTERS期刊上受邀发表综述 “Optical-fiber-based powerful tools for living cell manipulation”，该文章详细阐述了团队围绕基于光纤的细胞操纵方法取得的一系列进展。
图1 （a）宏观手功能和（b）微观光手功能对比，（c）光枪用于微粒发射
成果2：超精密气体检测方法
痕量气体探测在环境、医疗、安防等领域具有重要应用。基于光纤的气体探测能够实现小型化、多点复用、组网及远程监测，是近年来光纤传感的前沿研究领域。然而，传统的吸收型光纤气体传感器由于光与物质作用效率不高，背景及模式噪声大，其传感灵敏度很难突破1ppm，动态范围一般限制在3个数量级左右。
香港理工大学深圳研究院靳伟教授团队研究了基于光热效应的器件集成，探索了高灵敏度光纤痕量物质探测方法。针对微结构光纤中多种物质的光吸收伴生热效应及其带来的热光调制特性，开展了基于此过程的高性能、多功能的新型光纤器件集成关键技术的研究。其最新研究成果“Mode-phase-difference photothermal spectroscopy for gas detection with an anti-resonant hollow-core optical fiber”在Nature Communications(《自然·通讯》)在线发表。该成果报道了使用双模反共振中空光纤的模式相位差光热光谱，并在3小时的时间内演示了全光纤气体(乙炔)的检测下降到ppt(万亿分之一)和 <1%的不稳定性。并且可以设计一种反共振的空心芯光纤来传输从可见光到红外的宽波长范围内的光信号，这覆盖了许多重要气体的分子吸收线。该成果将使单传感元件实现多组分气体检测，并为医疗、环境和工业应用的超精密气体检测奠定了基础。
图2 模式相位差光热光谱气体传感原理
图3 模式相位差光热光谱气体传感实验系统