基于石墨烯增强型全光纤谐振腔激光与传感器件研究

作     者：曹忠旭 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：姚佰承

授予年度：2020年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 070207[理学-光学] 07[理学] 08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0817[工学-化学工程与技术] 0802[工学-机械工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：石墨烯 光纤信息器件 超敏生化传感器 激光光频梳 

摘      要：石墨烯自诞生以来,因其具有的超高的载流子迁移率、超高的表面体积比、超快的导热性能、出色的电光可调性能以及优异的生物亲和性等天然优势,受到全世界科研人员的广泛关注和深入研究。值得一提的是,基于石墨烯增强型的光电信息器件的相继问世,为当代超高速光通信和智能信息感知带来了革命性的变化。石墨烯这种优异的二维材料与信息器件的结合将有力地推动信息通讯、环境监测、医学检测等领域的发展。在上述背景下,“光纤上实验室概念的提出则为石墨烯的应用拓展提供了新的思路,将高质量单原子厚度的二维石墨烯薄膜材料集成于全光纤谐振腔内部,光纤谐振腔提供器件的光学能效,同时石墨烯显著地增强光与物质相互作用,利用石墨烯的优异特性大幅地提高器件的光学性能。本论文立足于全光纤谐振腔结构,采用高质量的石墨烯薄膜材料及其衍生物,利用石墨烯大范围可调的光电子特性、优异的生物亲和性、荧光共振转移等特性,将石墨烯及其衍生物作为腔内生化传感平台和可调控模块,实现超高灵敏度选择性生化分子光电探测和高重频可调激光光梳稳定输出。综上所述,本论文的研究内容主要分为以下4部分:（1）系统地调研了石墨烯材料的国内外研究现状,针对光学微结构传感器、超快激光器和光频梳器件的发展现状进行了综述,同时对基于石墨烯的光纤信息器件的发展和应用进行了详细的总结,针对基于石墨烯及其衍生物的超高灵敏度生化传感器和超快激光器发展过程中的科学性问题,提出本课题的研究意义。（2）系统阐述了石墨烯材料的光电子特性和光纤谐振腔的工作原理。详细地介绍了全光纤谐振腔的制备加工工艺、石墨烯及其衍生物的制备和器件化转移方式,分别针对石墨烯增强型光纤法布里-帕罗微腔生化传感器以及基于石墨烯的全光纤法布里-帕罗腔光频梳的器件进行了详细的制备工艺介绍和表征测试。（3）提出并实现了一种基于部分还原的氧化石墨烯内部沉积的全光纤微腔选择性超敏生化传感器,将传感器采用不3种不同方式进行功能化,利用部分还原的氧化石墨烯的荧光共振转移特性和生化可调性,实现对多巴胺分子、尼古丁分子、单链DNA分子的选择性传感测量,采用拍频降噪锁相放大系统结合高灵敏度光电外差检测手段,实现对上述三种生化分子的实时动态检测,传感灵敏度达分子量级。（4）提出并实现了一种全光纤石墨烯电可调高重频激光光频梳器件,通过将金-石墨烯-金异质结集成于光纤端面,利用外部电学调制精确调控石墨烯费米能级,石墨烯异质结作为可调饱和吸收体、电控色散延迟单元、快速电光负反馈稳定模块,实现高重频孤子锁模光频梳稳定输出以及高精度大范围电学动态调制,光谱范围为1300 nm—1800 nm,重频可从9.72 GHz调至77.8 GHz,脉宽达皮秒量级。