1. 光电子器件与传感探测技术方向
1.1新型光纤传感器的开发
传感器具有独特优势，它是支撑新一代物联网、工业自动化与人工智能的基础元器件。光纤传感器相较于电学传感器具有微型化、质量轻、抗电磁干扰、耐化学腐蚀、灵敏度高、远程操控性强、适用于高温高压等恶劣条件、并可构成分布式光纤传感网络、实现实时在线检测等特点。因此，对光纤传感器技术的研究不仅具有较高的科学价值，而且对社会经济效益也有推进作用，新型光纤传感器具有重大现实意义。近年来，针对工业、生物医药、海洋等领域，开展光纤传感新原理、新理论的研究，突破涉及技术、工艺、材料、设备等关键技术，针对不同应用场景开发设备和系统，结合新型大数据和深度学习解决工程应用难题。致力于推动光纤传感技术和工业的发展。工程研究中心围绕制约传感器产业发展的“卡脖子”关键核心技术，通过承担项目或自筹资金开展技术攻关，促进关键核心技术突破，开发了多种高性能新型光纤传感器，获得专利6项，发表高水平论文30余篇。下面举两个具体例子：
（1）开发了一款基于增强型游标效应的高灵敏度光纤气体压力传感器。该传感器由光纤法布里-珀罗干涉仪（FPI）和马赫-曾德尔干涉仪（MZI）级联组成。由于FPI和MZI的干涉条纹随着气压的变化而向相反的方向漂移，当它们的自由光谱范围相似时，它们级联后形成增强的Vernier效应。与传统的游标效应相比，增强型游标效应实现了更高灵敏度的气压测量，而无需复杂的制造工艺或对参考干涉仪进行脱敏。实验结果显示增强型游标效应的气压灵敏度达到241.87 nm/MPa。而由FPI和MZI级联构成的两种传统游标效应，其气压灵敏度分别为63.02 nm/MPa和171.26 nm/MPa。增强型游标效应将传统游标效应的灵敏度又分别提高了3.8倍和1.4倍。设计的传感器还具有重复性和稳定性好、响应快、成本低和易于制造的优点。提出的传感器结构为高灵敏度光纤气体压力传感器提供了一种新的设计方案。(成果发表于Optics Express, 2022, 30 (19): 34956-34973）
（2） 提出了一种同时高灵敏度测量相对湿度（RH）和温度的平行光纤游标传感器。分别利用热敏材料聚二甲基硅氧烷（PDMS）和湿敏材料聚酰亚胺（PI）制造了两个法布里-珀罗（F–P）腔。精确控制两个F-P腔的长度，使它们并联形成游标效应。研究发现，PI填充的F–P腔对RH和温度敏感，而PDMS填充的F-P腔仅对温度敏感。由于两个F–P腔的特性不同，通过构造灵敏度测量矩阵实现了RH和温度的高灵敏度同时测量。游标结构的RH和温度灵敏度分别达到−11.388 nm/%RH和18.436 nm/°C。该传感器在生物制药、环境监测、食品加工和微生物传感领域具有潜在应用。（成果发表于IEEE Sensors Journal, 2022, 22(18):17845-17854.）
1.2 飞秒激光微纳加工制造新型光电子器件
飞秒激光微纳加工技术为光纤传感这类光电子器件的制造开辟了一条全新的路径。激光微纳制造在能量密度、时空尺度等方面都趋于极端，其制造过程中所利用的物理效应和作用机理完全不同于传统制造，其加工效率高、精度高、可控性强、易集成。基于飞秒激光微纳制造的优势，使光纤传感领域得到极大的发展，如何将多种功能元件有效集成在一根光纤上，可以测量多个物理量，并将其应用到医疗、生物、化工、医药、航空航天等方面的极端检测中，是推动这些领域高速发展的关键核心技术，是人们研究的热点。我们工程研究中心的光电子器件团队多年来一直在这个方向进行技术开发与攻关，已经做出了一些贡献：
利用飞秒激光诱导标准单模光纤，得到性能优良的长周期光纤光栅、光波导、光纤布拉格光栅、微腔和微流通道等。利用这些结构设计了温度、折射率、湿度、应力和气压传感器，探索了它们在环境监测、化工生产、生物制药等领域的传感应用。基于飞秒激光微纳加工技术与传感器增敏技术，开发出具有高灵敏度、高分辨率、大动态测量范围的光纤传感器，在实际应用中有极大的需求。
（1）2022年，我们利用飞秒激光直写技术，在单模光纤内制备长180μm、宽125μm和深 62.5μm的微腔，结合温敏材料实现了性能优良的折射率与温度测量的新型光纤传感器，获得16660 nm/RIU的超高折射率灵敏度，温度灵敏度也高达7.934 nm/°C，该传感器已经在实际应用中进行了测试与检验，获得极好的效果。（成果发表于Optics Express, 2022, 30 (8): 12397-12408）。
（2）2021年，我们利用飞秒激光微纳加工技术，在空心光纤中制造了微型气体通道，设计一款新颖的基于两个FPI并联和游标效应的高灵敏度气体压力传感器。传感器的气压灵敏度高达47.76 nm/MPa，温度交叉灵敏度约为5.1 kPa/°C，极小。同时传感器具有极快的响应时间、极好的重复性和稳定性。此外，该传感器具有制造简单、结构坚固、运行稳定的优点。该传感器已经在实际应用中进行了测试与检验，获得极好的效果，有望在工程实际中得到应用。（成果发表于Measurement Science and Technology, 32 (2021) 125124）。
利用溶液辅助法，用飞秒激光微纳制造技术加工出各种不同尺寸与形态各异的金纳米颗粒，这是一个全新的领域，涉及到超短脉冲激光同时与液体和固体相互作用的机制。我们将这些纳米颗粒与光纤结合，制备出了高性能的光纤温度传感器、光纤折射率传感器、光纤气体浓度传感器等。利用飞秒激光微纳加工技术，在多孔玻璃内部加工出三维微流通道，探索微流通道在微光学器件中的应用，制备出了复杂微纳尺度器件，用于生物分子传感应用。并且利用飞秒激光加工技术将各种功能元件集成到单根光纤或者单个光学材料中，为制备流体通道与光、机、电等功能融于一体的光子芯片开辟新道路进行了尝试。
1.3 飞秒超快光谱技术
飞秒强激光为在原子时空尺度（阿秒时间与亚埃空间尺度）探测物质微观结构及电子超快动力学提供了重要手段。飞秒超快光谱可以实现中小型分子、生物/材料大分子的激发态动力学特性研究。通过研究分子动力学过程能为自然环境的保护、光原初反应的剖析、功能材料的设计和应用提供必要的信息。
（1） 飞秒激光瞬态吸收光谱技术。利用飞秒激光搭建的瞬态吸收光谱装置测量中小型分子、生物分子、材料分子的瞬态吸收光谱，对这些分子的构象弛豫、电荷转移、光电转换等光谱动力学和激发态动力学进行实验研究，为它们的应用提供科学依据。该技术的关键：高速数据采集、超短时间尺度探测（14fs-8ns）、宽波长探测范围（320-840 nm），以及自动泵浦/探测对齐/反射。利用飞秒激光的超短脉宽性质可以实现飞秒量级的时间分辨瞬态光谱技术，结合量子化学计算，研究了1-AAQ 1,8-DHAQ、HBO分子在溶液中的激发态分子内电荷转移（ESICT）、分子内质子转移（ESIPT）、系间交叉（ISC）和振动弛豫（VR）的光诱导动力学。结果表明，电荷转移发生在飞秒量级，而互变异构体S1状态衰变在269.1 ps以内，以获得发射荧光的失活途径。利用飞秒超快激光实现泵浦探测技术和吸收光谱技术的结合，即飞秒瞬态吸收光谱技术研究了液相分子内超快激发态动力学的机理（相关研究成果发表于Journal of Molecular Structure, 1229 (2021)，129502; Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 234 (2020), 118200,）。
（2） 时间分辨克尔光谱系统。利用飞秒激光搭建的时间分辨克尔光谱系统既能高灵敏度地探测半导体中非平衡载流子的自旋弛豫、复合过程，又能联合前置放大技术高精确度地探测半导体器件中的光电流；研究半导体材料中载流子的自旋弛豫动力学、光学跃迁动力学及其新颖的自旋相关效应，为发展新型半导体自旋电子器件、半导体光电子器件等提供科学依据。该光谱系统的功能特性：时间分辨率小于1 ps，可有力揭示自旋弛豫、载流子复合等动力学过程；空间分辨率约为10 mm，可对微纳加工后的电子器件单元进行精确检测；光电流探测精度低至1 pA；覆盖可见光到紫外波段探测，全套光学元件由计算机自动化控制。基于自主搭建的飞秒紫外波段时间分辨克尔光谱，深入研究了GaN基体电子、二维电子气的自旋弛豫动力学，揭示了GaN基半导体中载流子的自旋弛豫机制，并为GaN基自旋电子器件设计提供科学依据。（相关研究成果发表于Physical Review B、 Applied Physics Letters、Fundamental Research上）。
1.4 其他新型光电子器件
光电子器件是光电子技术的关键和核心部件，是现代光电技术与微电子技术的前沿研究领域，是信息技术的重要组成部分。工程研究中心还研发了一些其他新型光电子器件：
（1）提出了一种在两个控制磁场作用下的分子磁场中实现微波相位光栅的方案，利用分子磁体晶体来实现高透射率和弱探头磁场的大相位偏移，从而形成了微波相位光栅。研究发现该系统在光网络和通信中的重要光器件—全光路由器中有着良好的应用前景。（成果发表于 Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2020, 503, 166609）
（2） 采用电子束光刻和反应离子刻蚀技术在商用绝缘体硅平台上制作亚波长光栅波导结构，通过激发和检测通信波长周围的偶模式和奇模式来实现其手征模式，为研究非厄米体系的拓扑性质提供了理论和实验支持（成果发表于Phys. Rev. A 103, 023531, 2021）。该成果可以在片上光学器件如模式转换器中找到实际的应用，并且为开关波导为非厄米动力学的研究提供了一个平台。该工作受到国家自然科学基金青年基金的支持（批准号：12104142）。
（3）基于磁-微波系统探索非互易光传输效应，提出了含铁磁性材料的高质量因子超导腔中实现非互异性微波传输的方案，并设计非互易器件：微波隔离器和循环器（成果发表于 Optics Express，2021, 29(16), 25477-25487）。该工作受到国家自然科学基金青年基金的支持（批准号：12105092）。