Kas ir mikro-nano fotonika?

Mikro-nano fotonika galvenokārt pēta gaismas un vielas mijiedarbības likumu mikro un nano mērogā un tā pielietojumu gaismas ģenerēšanā, pārraidē, regulēšanā, noteikšanā un uztveršanā. Mikro-nano fotonikas zemviļņu garuma ierīces var efektīvi uzlabot fotonu integrācijas pakāpi, un ir paredzēts integrēt fotoniskās ierīces mazā optiskā mikroshēmā, piemēram, elektroniskās mikroshēmās. Nanovirsmas plazmonika ir jauna mikro-nano fotonikas joma, kas galvenokārt pēta gaismas un vielas mijiedarbību metāla nanostruktūrās. Tai piemīt mazs izmērs, liels ātrums un tradicionālās difrakcijas robežas pārvarēšana. Nanoplazmas-viļņvada struktūra, kurai ir labas lokālā lauka pastiprināšanas un rezonanses filtrēšanas īpašības, ir nanofiltru, viļņu garuma dalīšanas multipleksoru, optisko slēdžu, lāzeru un citu mikro-nano optisko ierīču pamatā. Optiskie mikrodobumi ierobežo gaismu sīkos apgabalos un ievērojami uzlabo gaismas un vielas mijiedarbību. Tāpēc optiskais mikrodobums ar augstu kvalitātes faktoru ir svarīgs augstas jutības uztveršanas un noteikšanas veids.

WGM mikrodobums

Pēdējos gados optiskais mikrodobums ir piesaistījis lielu uzmanību, pateicoties tā plašajam pielietojuma potenciālam un zinātniskajai nozīmei. Optiskais mikrodobums galvenokārt sastāv no mikrosfērām, mikrokolonnām, mikrogredzeniem un citām ģeometrijām. Tas ir sava veida morfoloģiski atkarīgs optiskais rezonators. Gaismas viļņi mikrodobumos tiek pilnībā atstaroti mikrodobumu saskarnē, kā rezultātā rodas rezonanses režīms, ko sauc par čukstošās galerijas režīmu (WGM). Salīdzinot ar citiem optiskajiem rezonatoriem, mikrorezonatoriem ir raksturīga augsta Q vērtība (lielāka par 106), zems režīma tilpums, mazs izmērs un viegla integrācija utt., un tie ir izmantoti augstas jutības bioķīmiskajā sensorā, īpaši zema sliekšņa lāzerā un nelineārā darbībā. Mūsu pētījuma mērķis ir atrast un izpētīt dažādu mikrodobumu struktūru un dažādu morfoloģiju īpašības un pielietot šīs jaunās īpašības. Galvenie pētījumu virzieni ietver: WGM mikrodobumu optisko īpašību izpēti, mikrodobumu izgatavošanas izpēti, mikrodobumu lietojumprogrammu izpēti utt.

WGM mikrodobumu bioķīmiskā uztveršana

Eksperimentā sensoru mērīšanai tika izmantots četru kārtu augstākās kārtas WGM režīms M1 (1. att. (a)). Salīdzinot ar zemākās kārtas režīmu, augstākās kārtas režīma jutība bija ievērojami uzlabota (1. att. (b)).

1. attēls. Mikrokapilāra dobuma rezonanses režīms (a) un tam atbilstošā refrakcijas indeksa jutība (b)

Regulējams optiskais filtrs ar augstu Q vērtību

Vispirms tiek izvilkts radiāli lēni mainīgais cilindriskais mikrodobums, un pēc tam viļņa garuma regulēšanu var panākt, mehāniski pārvietojot savienojuma pozīciju, pamatojoties uz formas izmēra principu kopš rezonanses viļņa garuma (2. attēls (a)). Regulējamā veiktspēja un filtrēšanas joslas platums ir parādīts 2. attēlā (b) un (c). Turklāt ierīce var realizēt optiskās nobīdes noteikšanu ar subnanometra precizitāti.

2. attēls. Noskaņojamā optiskā filtra (a), noskaņojamās veiktspējas (b) un filtra joslas platuma (c) shematiska diagramma.

WGM mikrofluidiskais pilienu rezonators

Mikrošķidruma mikroshēmā, īpaši eļļas pilienam (piliens eļļā), virsmas spraiguma īpašību dēļ, ja diametrs ir desmitiem vai pat simtiem mikronu, tas tiks suspendēts eļļā, veidojot gandrīz perfektu sfēru. Pateicoties refrakcijas indeksa optimizācijai, pats piliens ir ideāls sfērisks rezonators ar kvalitātes koeficientu, kas pārsniedz 108. Tas arī novērš iztvaikošanas problēmu eļļā. Salīdzinoši lieli pilieni blīvuma atšķirību dēļ "sēdēs" uz augšējām vai apakšējām sānu sienām. Šāda veida pilieni var izmantot tikai sānu ierosmes režīmu.