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饶云江教授团队在《先进材料》发表超敏光纤传感新器件研究成果
文:郭晏宏 图:姚佰承 来源:信通学院 时间:2022-10-18 9242

  近日,我校信息与通信工程学院饶云江教授团队在国际著名期刊Advanced Materials(《先进材料》)上发表研究论文,题为“A Monolithic Graphene Functionalized Microlaser for Multispecies Gas Detection”(基于石墨烯功能化一体微腔激光的多组分气体探测)。我校信息与通信工程学院为第一作者单位,电子科学与工程学院、之江实验室光纤和德国耶拿大学为共同研究单位。团队硕士生郭晏宏为论文第一作者、硕士生李照宇和博士生安宁为论文共同第一作者,饶云江教授和姚佰承教授为论文通讯作者,多位来自于英才学院的本科生参与了研究工作。本研究得到国家自然基金、国家重点研发、欧盟地平线2020计划和之江实验室重大项目的支持。

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物理概念、工作机理和器件样机

  凭借高品质因子和紧凑模式体积,基于回音壁模式(WGM)的光学微谐振腔在生物化学传感领域展现出了独特优势。在微腔体系中,基于对称破缺的孤子劈裂已成为公认的超敏光学工具,对细胞、蛋白分子、纳米颗粒等都实现了单分子级的探测。然而,面向气体等更小粒子的动态感知,传统的微腔模式劈裂探测技术仍存在关键限制:1)传统微腔一般为电子惰性的,缺乏连接分子-光子的“费米-波色”桥梁;2)受限于无源的微腔Q值,传统模式劈裂线宽往往隐藏在谐振峰内,难以被测量。

  面向上述科学问题,该研究提出了基于先进二维材料石墨烯功能化的有源微球腔激光传感器,并实现了多组分气体的高灵敏度实时检测。首先,课题组设计并实现了有源微腔新结构,通过内生激光有效增强了微腔频谱分辨率,从而实现更高的稳定性和灵敏度;此外,课题组使用石墨烯材料作为散射介质,突破了传统WGM微腔中对生化分子不敏感的壁垒,增强了外界小分子和腔内共振光子的相互作用。通过常用980nm的光泵浦激发,课题组在超模微腔中产生了多个激光模式,并实现了由石墨烯后向散射引起的激光模式劈裂。这些激光劈裂模经由通光电外差技术,在亚MHz频段输出Hz精度的拍频信号。当气体吸附到石墨烯上时,费米能级的改变调制微腔介电常数,进而导致劈裂差频的位移,其灵敏度达到数十kHz/ppb,且具有模式异化的特性,最终用于无标签的光生化传感。这一新的器件实现了单分子级的多组分气体痕量探测和识别,且体积小巧、成本低廉、操作简单,从科学上展示了新的光与物质相互作用策略,也在技术上为化学分析、环境监测等应用提供新的超灵敏探测方案。

  Advanced Materials(《先进材料》)是工程技术领域影响力最高的学术期刊之一,主要报道材料科学、微纳光电子学和信息科学的前沿进展,2021年影响因子32.086。


  论文链接https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202207777



编辑:赵海玲  / 审核:林坤  / 发布:陈伟