第一作者：于洋
通訊作者：羅堅(jiān)義、肖廷輝
背景介紹及內(nèi)容概述
光纖傳感器具有成本低、電磁免疫和遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)，是現(xiàn)代傳感技術(shù)不可缺少的組成部分。其中，基于單一諧振器或干涉儀的光纖傳感器，如光纖布拉格光柵、法布里-珀羅諧振器、馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x和微光纖結(jié)諧振器，因其占地面積小、易于制造和定量傳感能力而引起極大的興趣。然而，它們的靈敏度都有一定的提升空間。光學(xué)游標(biāo)效應(yīng)起源于兩個(gè)干涉儀的光學(xué)干涉，可以極大的提高光纖傳感器的靈敏度。它已應(yīng)用于不同的干涉結(jié)構(gòu)，包括法布里-珀羅干涉儀，馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x和塞格納克干涉儀。然而，由于實(shí)現(xiàn)光學(xué)游標(biāo)效應(yīng)需要兩個(gè)干涉儀的光學(xué)跳動(dòng)，因此它通常需要一個(gè)龐大而復(fù)雜的級(jí)聯(lián)干涉儀配置。這就犧牲了基于上述中提到的單個(gè)諧振器或干涉儀的光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)。
鑒于此，五邑大學(xué)于洋副教授、羅堅(jiān)義教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合東京大學(xué)肖廷輝教授（國(guó)家海外高層次青年人才-鄭州大學(xué)）、德國(guó)馬普所Hao-Chen Yan博士等人提出并制備了一種僅使用單個(gè)微納光纖諧振器實(shí)現(xiàn)Vernier效應(yīng)的超緊湊型（～2mm*～2mm）傳感器。在這個(gè)過(guò)程中，SLED光源的本征性ripple被有效的用于實(shí)現(xiàn)Vernier效用。研究人員通過(guò)精細(xì)化控制光纖拉錐過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了接近臨界耦合的微納光纖環(huán)形諧振腔，以獲得較大的消光比。通過(guò)傅里葉變換分析，進(jìn)一步確認(rèn)了Vernier效應(yīng)。最終，在定量溫度監(jiān)測(cè)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了～20倍傳感靈敏度增強(qiáng)。該傳感器實(shí)現(xiàn)了基于單個(gè)光纖諧振微環(huán)的Vernier效應(yīng)，克服之前此類(lèi)器件的復(fù)雜構(gòu)造的缺點(diǎn)。本文以“Ultracompact Vernier-effect-improved sensor by a single microfiber-knot resonator”為題已發(fā)表在Optics Express期刊上。
圖1 利用單微納光纖結(jié)諧振器的游標(biāo)效應(yīng)傳感器進(jìn)行定量溫度監(jiān)測(cè)。調(diào)整微纖維直徑為d、環(huán)直徑為D的微納光纖諧振器，使其空間頻率與SLED固有光譜波紋的空間頻率相匹配，以實(shí)現(xiàn)光學(xué)游標(biāo)效應(yīng)。插圖顯示了所制作的微納光纖諧振器的顯微鏡圖像。熱板用于為定量溫度監(jiān)測(cè)的應(yīng)用提供一個(gè)可控的溫度環(huán)境，而光譜分析儀用于觀(guān)察游標(biāo)效應(yīng)傳感器的透射光譜。
論文具體內(nèi)容：
圖2 通過(guò)改變耦合條件來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)整微納光纖諧振器的消光比。微納光纖諧振器相應(yīng)的顯微鏡圖像分別顯示在(a) - (c)中。(d) 微納光纖諧振器分別在欠耦合（黑線(xiàn)）、過(guò)耦合（洋紅色線(xiàn)）和臨界耦合（紅線(xiàn)）條件下的透射光譜
圖3 光學(xué)Vernier效應(yīng) (a) SLED的發(fā)射光譜。自由光譜范圍為0.308 nm。(b) 微納光纖諧振器的透射譜。自由光譜范圍為0.324 nm。(c) 游標(biāo)效應(yīng)傳感器的傳輸頻譜。游標(biāo)包絡(luò)線(xiàn)的自由光譜范圍為6.81 nm。它們對(duì)應(yīng)的空間頻譜分別用(d)-(f)表示。其中，在支持文件中我們參考利用一種新的傅里葉轉(zhuǎn)換方法極大的提高空間分辨。
圖4 通過(guò)改變光源光譜紋波和諧振器的空間頻率之間的失諧來(lái)實(shí)現(xiàn)光學(xué)游標(biāo)效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)調(diào)諧。(a) - (e) 不同直徑的微納光纖諧振器的顯微鏡圖像和(f) - (j) 透射光譜。(k) - (o) 相應(yīng)的游標(biāo)效應(yīng)傳感器的透射光譜顯示了游標(biāo)包絡(luò)的可調(diào)諧自由光譜范圍。
圖5 傳感器增強(qiáng)溫度監(jiān)測(cè)。(a) 對(duì)無(wú)光學(xué)游標(biāo)效應(yīng)的傳感器的透射光譜進(jìn)行定量溫度監(jiān)測(cè)。(b) 具有光學(xué)游標(biāo)效應(yīng)的傳感器的用于溫度的定量監(jiān)測(cè)的透射光譜。(c) 有和無(wú)光學(xué)游標(biāo)效應(yīng)的測(cè)量靈敏度的比較。靈敏度從8.81pm/°C提高到155.67pm/°C，增強(qiáng)因子為～20。(d)傳感器可重復(fù)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果。每個(gè)溫度點(diǎn)測(cè)量3-5次，顯示誤差值極小。
總結(jié)與展望
總之，我們提出并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了一個(gè)超緊湊型的光纖傳感器，即通過(guò)單個(gè)光纖諧振器實(shí)現(xiàn)了基于Vernier效應(yīng)的傳感器。這是通過(guò)操縱微納光纖諧振器的空間頻率和SLED的固有光譜紋波之間的失諧來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)光學(xué)游標(biāo)效應(yīng)的實(shí)現(xiàn)，我們展示了～20倍靈敏度的溫度監(jiān)測(cè)。這為生化傳感和環(huán)境監(jiān)測(cè)等應(yīng)用提供了一種簡(jiǎn)單、可靠、低成本、高靈敏度的策略。
作者及團(tuán)隊(duì)介紹
第一作者：于洋，男，五邑大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，主持國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目1項(xiàng)，主要研究方向?yàn)椋?/span>微納光學(xué)及光纖傳感。
通訊作者：羅堅(jiān)義，男，工學(xué)博士，教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院院長(zhǎng)，五邑大學(xué)柔性傳感材料與器件研究開(kāi)發(fā)中心主任（創(chuàng)始人），廣東省杰出青年基金獲得者，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃智能傳感重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)會(huì)評(píng)專(zhuān)家，南粵優(yōu)秀教師, 江門(mén)市首屆 “僑鄉(xiāng)青年榜樣”，江門(mén)市優(yōu)秀科技工作者，江門(mén)市十佳教師。主要研究領(lǐng)域包括：柔性傳感材料與器件應(yīng)用（柔性觸覺(jué)傳感、溫度傳感、氣壓傳感和彎曲傳感等）；納米功能材料合成；智能調(diào)光變色材料與器件。
通訊作者：肖廷輝，鄭州大學(xué)物理學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，國(guó)家海外高層次青年人才項(xiàng)目獲得者。主持國(guó)家自然科學(xué)基金、日本學(xué)術(shù)振興會(huì)科研費(fèi)、日本村田科學(xué)基金等項(xiàng)目，在Nature Communications， Advanced Photonics等光學(xué)期刊發(fā)表SCI論文三十余篇。曾獲得多項(xiàng)科研獎(jiǎng)勵(lì)，主要包括：日本文部省博士獎(jiǎng)學(xué)金、國(guó)家優(yōu)秀自費(fèi)留學(xué)生獎(jiǎng)學(xué)金、歐洲物理快報(bào)杰出審稿人、NF基金會(huì)研究開(kāi)發(fā)獎(jiǎng)勵(lì)賞、日本光學(xué)會(huì)光學(xué)論文賞、日本量子生命科學(xué)會(huì)青年科學(xué)家獎(jiǎng)等。擔(dān)任國(guó)際光學(xué)與電磁學(xué)研究論壇（PIERS）分會(huì)場(chǎng)主席、Photonics期刊客座編輯、日本學(xué)術(shù)振興會(huì)（JSPS）基金等項(xiàng)目函評(píng)專(zhuān)家、Nature Communications等期刊審稿人。主要研究領(lǐng)域包括：硅基光子學(xué)、振動(dòng)光譜、超快成像。
附文獻(xiàn)及DOI號(hào)：
Ultracompact Vernier-effect-improved sensor by a single microfiber-knot resonator.
DOI：10.1364/OE.481253
