Die Mikro-Nano-Photonik untersucht hauptsächlich die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie im Mikro- und Nanomaßstab und ihre Anwendung bei der Erzeugung, Übertragung, Regulierung, Erkennung und Sensorik von Licht. Sub-Wellenlängen-Bauelemente der Mikro-Nano-Photonik können den Grad der Photonenintegration effektiv verbessern, und es wird erwartet, dass photonische Bauelemente in kleine optische Chips, ähnlich wie elektronische Chips, integriert werden. Die Nano-Oberflächenplasmonik ist ein neues Feld der Mikro-Nano-Photonik, das hauptsächlich die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie in metallischen Nanostrukturen untersucht. Sie zeichnet sich durch geringe Größe, hohe Geschwindigkeit und das Überwinden der traditionellen Beugungsgrenze aus. Die Nanoplasma-Wellenleiterstruktur mit ihren guten lokalen Feldverstärkungs- und Resonanzfiltereigenschaften ist die Grundlage von Nanofiltern, Wellenlängenmultiplexern, optischen Schaltern, Lasern und anderen mikro-nano-optischen Bauelementen. Optische Mikrokavitäten begrenzen Licht auf winzige Bereiche und verstärken die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie erheblich. Daher sind optische Mikrokavitäten mit hohem Qualitätsfaktor ein wichtiges Mittel für hochempfindliche Sensorik und Erkennung.
WGM-Mikrokavität
Optische Mikrokavitäten haben in den letzten Jahren aufgrund ihres großen Anwendungspotenzials und ihrer wissenschaftlichen Bedeutung große Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Sie bestehen hauptsächlich aus Mikrokugeln, Mikrosäulen, Mikroringen und anderen geometrischen Formen. Es handelt sich um einen morphologieabhängigen optischen Resonator. Lichtwellen in Mikrokavitäten werden an der Grenzfläche der Mikrokavitäten vollständig reflektiert, wodurch ein Resonanzmodus namens Whispering Gallery Mode (WGM) entsteht. Im Vergleich zu anderen optischen Resonatoren zeichnen sich Mikroresonatoren durch einen hohen Q-Wert (über 106), ein geringes Modenvolumen, geringe Größe und einfache Integration aus. Sie werden für hochempfindliche biochemische Sensoren, Laser mit ultraniedriger Schwelle und nichtlineare Prozesse eingesetzt. Unser Forschungsziel ist es, die Eigenschaften unterschiedlicher Strukturen und Morphologien von Mikrokavitäten zu ermitteln und zu untersuchen und diese neuen Eigenschaften anzuwenden. Die wichtigsten Forschungsrichtungen umfassen die Erforschung der optischen Eigenschaften von WGM-Mikrokavitäten, die Herstellung von Mikrokavitäten und die Anwendungsforschung von Mikrokavitäten.
WGM-Mikrokavitäts-Biochemiesensorik
Im Experiment wurde der WGM-Modus M1 (Abb. 1(a)) vierter Ordnung für die Sensormessung verwendet. Im Vergleich zum Modus niedriger Ordnung war die Empfindlichkeit des Modus höherer Ordnung deutlich verbessert (Abb. 1(b)).
Abbildung 1. Resonanzmodus (a) der Mikrokapillarhöhle und die entsprechende Brechungsindexempfindlichkeit (b)
Abstimmbarer optischer Filter mit hohem Q-Wert
Zunächst wird die radial langsam veränderliche zylindrische Mikrokavität herausgezogen. Anschließend kann die Wellenlängenabstimmung durch mechanisches Verschieben der Kopplungsposition basierend auf dem Prinzip der Formgröße seit der Resonanzwellenlänge erreicht werden (Abbildung 2 (a)). Die abstimmbare Leistung und Filterbandbreite sind in Abbildung 2 (b) und (c) dargestellt. Darüber hinaus ermöglicht das Gerät eine optische Verschiebungsmessung mit einer Genauigkeit im Subnanometerbereich.
Abbildung 2. Schematische Darstellung des abstimmbaren optischen Filters (a), der abstimmbaren Leistung (b) und der Filterbandbreite (c)
WGM Mikrofluidischer Tropfenresonator
Im Mikrofluidik-Chip, insbesondere bei Öltröpfchen (Tropfen in Öl), schweben diese aufgrund der Oberflächenspannung bei Durchmessern von mehreren zehn oder sogar hundert Mikrometern im Öl und bilden eine nahezu perfekte Kugel. Durch die Optimierung des Brechungsindex wird der Tropfen selbst zu einem perfekten Kugelresonator mit einem Gütefaktor von über 108. Dadurch wird das Problem der Verdunstung im Öl vermieden. Größere Tropfen bleiben aufgrund von Dichteunterschieden an der Ober- oder Unterseite hängen. Dieser Tropfentyp kann nur den lateralen Anregungsmodus nutzen.
Veröffentlichungszeit: 23. Oktober 2023