Микро-нанофотоника в основном изучает законы взаимодействия света и материи в микро- и наномасштабе и их применение в генерации, передаче, регулировании, обнаружении и сенсорике света. Субволновые устройства микро-нанофотоники могут эффективно повысить степень интеграции фотонов, и ожидается, что фотонные устройства будут интегрированы в небольшие оптические чипы, такие как электронные чипы. Наноповерхностная плазмоника — это новая область микро-нанофотоники, которая в основном изучает взаимодействие света и материи в металлических наноструктурах. Она обладает такими характеристиками, как малый размер, высокая скорость и преодоление традиционного дифракционного предела. Наноплазмоволноводная структура, обладающая хорошими характеристиками усиления локального поля и резонансной фильтрации, является основой для нанофильтров, мультиплексоров с разделением по длинам волн, оптических переключателей, лазеров и других микро-нанооптических устройств. Оптические микрорезонаторы ограничивают свет в крошечных областях и значительно усиливают взаимодействие света и материи. Поэтому оптический микрорезонатор с высоким коэффициентом качества является важным способом высокочувствительного зондирования и обнаружения.
Микрополость WGM
В последние годы оптические микрорезонаторы привлекают большое внимание благодаря своему огромному потенциалу применения и научной значимости. Оптические микрорезонаторы в основном состоят из микросфер, микроколонн, микроколец и других геометрических форм. Это разновидность оптического резонатора, зависящего от морфологии. Световые волны в микрорезонаторах полностью отражаются на границе раздела микрорезонаторов, в результате чего возникает резонансный режим, называемый режимом шепчущей галереи (WGM). По сравнению с другими оптическими резонаторами, микрорезонаторы обладают такими характеристиками, как высокое значение добротности (более 10⁶), малый объем моды, малый размер и простота интеграции и т. д., и находят применение в высокочувствительном биохимическом анализе, лазерах со сверхнизким порогом срабатывания и нелинейном воздействии. Цель нашего исследования — найти и изучить характеристики различных структур и морфологий микрорезонаторов и применить эти новые характеристики. Основные направления исследований включают: исследование оптических характеристик микрорезонаторов WGM, исследование изготовления микрорезонаторов, исследование применения микрорезонаторов и т. д.
Биохимическое зондирование с использованием микрополостей WGM
В эксперименте для измерения параметров использовалась высокочастотная мода WGM четвертого порядка M1 (рис. 1(а)). По сравнению с низкочастотной модой, чувствительность высокочастотной моды значительно повысилась (рис. 1(б)).
Рисунок 1. Резонансный режим (а) микрокапиллярной полости и соответствующая ему чувствительность к показателю преломления (б)
Настраиваемый оптический фильтр с высоким значением добротности (Q).
Сначала извлекается радиально медленно изменяющаяся цилиндрическая микрополость, а затем настройка длины волны достигается механическим перемещением положения связи на основе принципа размера формы относительно резонансной длины волны (рис. 2 (а)). Характеристики настройки и полоса пропускания фильтра показаны на рис. 2 (б) и (в). Кроме того, устройство может осуществлять оптическое измерение смещения с субнанометровой точностью.
Рисунок 2. Схема перестраиваемого оптического фильтра (а), перестраиваемые характеристики (б) и полоса пропускания фильтра (в)
Микрофлюидный капельный резонатор WGM
В микрофлюидных чипах, особенно для капель в масле (капли в масле), благодаря характеристикам поверхностного натяжения, капли диаметром в десятки или даже сотни микрон будут находиться во взвешенном состоянии в масле, образуя почти идеальную сферу. Благодаря оптимизации показателя преломления, сама капля представляет собой идеальный сферический резонатор с добротностью более 10⁸. Это также позволяет избежать проблемы испарения в масле. Для относительно больших капель они будут «прилегать» к верхним или нижним боковым стенкам из-за разницы в плотности. Для таких капель можно использовать только режим бокового возбуждения.
Дата публикации: 23 октября 2023 г.