Was ist Mikro-Nano-Photonik?

Die Mikro-Nano-Photonik untersucht hauptsächlich das Gesetz der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie im Mikro- und Nanomaßstab und seine Anwendung bei der Erzeugung, Übertragung, Regulierung, Erkennung und Erfassung von Licht. Mikro-Nano-Photonik-Subwellenlängengeräte können den Grad der Photonenintegration effektiv verbessern, und es wird erwartet, dass photonische Geräte wie elektronische Chips in einen kleinen optischen Chip integriert werden. Die Nanooberflächenplasmonik ist ein neues Gebiet der Mikro-Nanophotonik, das hauptsächlich die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie in Metallnanostrukturen untersucht. Es zeichnet sich durch geringe Größe, hohe Geschwindigkeit und die Überwindung der herkömmlichen Beugungsgrenze aus. Die Nanoplasma-Wellenleiterstruktur mit guten lokalen Feldverstärkungs- und Resonanzfiltereigenschaften ist die Grundlage für Nanofilter, Wellenlängenmultiplexer, optische Schalter, Laser und andere optische Mikro-Nano-Geräte. Optische Mikrokavitäten beschränken das Licht auf winzige Bereiche und verbessern die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie erheblich. Daher ist die optische Mikrokavität mit hohem Qualitätsfaktor ein wichtiges Mittel zur hochempfindlichen Erfassung und Erkennung.

WGM-Mikrokavität

In den letzten Jahren hat die optische Mikrokavität aufgrund ihres großen Anwendungspotenzials und ihrer wissenschaftlichen Bedeutung große Aufmerksamkeit erregt. Der optische Mikrohohlraum besteht hauptsächlich aus Mikrokugeln, Mikrosäulen, Mikroringen und anderen Geometrien. Es handelt sich um eine Art morphologisch abhängigen optischen Resonator. Lichtwellen in Mikrokavitäten werden an der Mikrokavitätsgrenzfläche vollständig reflektiert, was zu einem Resonanzmodus führt, der als Whispering Gallery Mode (WGM) bezeichnet wird. Im Vergleich zu anderen optischen Resonatoren zeichnen sich Mikroresonatoren durch einen hohen Q-Wert (größer als 106), ein geringes Modenvolumen, eine geringe Größe und eine einfache Integration usw. aus und werden für hochempfindliche biochemische Sensoren, Laser mit extrem niedrigem Schwellenwert usw. eingesetzt nichtlineare Aktion. Unser Forschungsziel ist es, die Eigenschaften unterschiedlicher Strukturen und unterschiedlicher Morphologien von Mikrokavitäten zu finden, zu untersuchen und diese neuen Eigenschaften anzuwenden. Zu den Hauptforschungsrichtungen gehören: Forschung zu optischen Eigenschaften von WGM-Mikrokavitäten, Herstellungsforschung von Mikrokavitäten, Anwendungsforschung von Mikrokavitäten usw.

Biochemische Mikrokavitätssensorik von WGM

Im Experiment wurde der WGM-Modus vierter Ordnung höherer Ordnung M1 (Abb. 1(a)) für die Erfassungsmessung verwendet. Im Vergleich zum Modus niedriger Ordnung wurde die Empfindlichkeit des Modus hoher Ordnung erheblich verbessert (Abb. 1(b)).

Abbildung 1. Resonanzmodus (a) des Mikrokapillarhohlraums und seine entsprechende Brechungsindexempfindlichkeit (b)

Abstimmbarer optischer Filter mit hohem Q-Wert

Zuerst wird der radiale, sich langsam verändernde zylindrische Mikrohohlraum herausgezogen, und dann kann die Wellenlängenabstimmung durch mechanisches Verschieben der Kopplungsposition basierend auf dem Prinzip der Formgröße seit der Resonanzwellenlänge erreicht werden (Abbildung 2 (a)). Die einstellbare Leistung und Filterbandbreite sind in Abbildung 2 (b) und (c) dargestellt. Darüber hinaus kann das Gerät eine optische Verschiebungserfassung mit einer Genauigkeit im Subnanometerbereich realisieren.

Abbildung 2. Schematische Darstellung des abstimmbaren optischen Filters (a), der abstimmbaren Leistung (b) und der Filterbandbreite (c)

Mikrofluidischer Tropfenresonator WGM

Im Mikrofluidik-Chip, insbesondere für Tröpfchen im Öl (Tröpfchen im Öl), wird es aufgrund der Eigenschaften der Oberflächenspannung mit einem Durchmesser von mehreren zehn oder sogar Hunderten von Mikrometern im Öl suspendiert und bildet nahezu eine Form perfekte Kugel. Durch die Optimierung des Brechungsindex ist der Tropfen selbst ein perfekter sphärischer Resonator mit einem Gütefaktor von mehr als 108. Außerdem wird das Problem der Verdunstung im Öl vermieden. Bei relativ großen Tröpfchen „sitzen“ diese aufgrund von Dichteunterschieden an den oberen oder unteren Seitenwänden. Diese Art von Tröpfchen kann nur den lateralen Anregungsmodus nutzen.