基于Vernier效应实现有机聚合物纤维的单纵模传感

有机聚合物纤维具有良好的延展性和调制性,可充当光波导和耦合分束器,是制备柔性光电器件的多功能元构件。圆柱形纤维的圆形截面可以支持回音壁谐振模式的存在。由于高的品质因子,外界环境的扰动会导致回音壁模式共振峰位置的显著变化,并可以通过检测谱线的位置加以检测,在实时监控与各类生物医学传感方面有重大的应用前景。为了提高检测的灵敏度与效率,我们需要光学微腔在单纵模模式下工作。对于尺寸在微米量级的有机聚合物纤维,不同波长的光波可以在微腔中形成共振而存在多种纵模模式。为了获得单一的模式,需要减小纤维的尺寸。然而,当纤维尺寸变小的时候,表面的平整度极大地影响了有机聚合物纤维微腔的光学质量。因此,如何在保证高品质因子的同时获得单纵模一直是相关研究的目标,也是该类结构能否获得实际应用的关键。

新加坡南洋理工大学的孙汉东教授研究组针对这一问题,提出基于Vernier效应实现有机聚合物纤维的单纵模激射,同时将基于回音壁模式的折射传感器的灵敏度提高了2倍左右。为达成此目的,研究人员首先制备了不同尺寸的高质量有机聚合物纤维,并在材料中植入合适的有源增益介质(罗丹明B有机染料)。在脉冲激光泵浦下,室温下观察到了有机聚合物纤维的激射,并探讨了回音壁模式的激射原理。基于理论计算,研究人员选取了合适的有机聚合物纤维置于衬底上,并通过Vernier效应实现聚合物纤维的耦合,得到了半宽高为0.09 nm,品质因子约为7×103的回音壁模式单纵模激射。同时,研究人员将此耦合结构应用于折射率传感器方面,使传感器的灵敏度由原来的210 nm/RIU提高到398 nm/RIU。由于工作的重要性,相关研究成果以内封面(Inside Front Cover)的形式发表在Advanced Optical Materials杂志上

该项结果显示,通过耦合可以有效地调控回音壁模式光学微腔的纵模个数,彰显出单纵模传感器在无标记生物医学传感方面的广泛应用前景,对高性能柔性有机光电子器件的制备与应用提供了思路。