Die Mikro-Nano-Photonik untersucht die Wechselwirkung von Licht und Materie im Mikro- und Nanobereich sowie deren Anwendung in der Lichterzeugung, -übertragung, -steuerung, -detektion und -sensorik. Mikro-Nano-Photonik-Bauelemente im Subwellenlängenbereich verbessern die Photonenintegration und ermöglichen die Integration photonischer Bauelemente in kleine optische Chips, ähnlich elektronischen Chips. Die Nano-Oberflächenplasmonik ist ein neues Gebiet der Mikro-Nano-Photonik, das die Wechselwirkung von Licht und Materie in metallischen Nanostrukturen erforscht. Sie zeichnet sich durch geringe Größe, hohe Geschwindigkeit und die Überwindung der traditionellen Beugungsgrenze aus. Nanoplasma-Wellenleiterstrukturen mit guter lokaler Feldverstärkung und Resonanzfiltereigenschaften bilden die Grundlage für Nanofilter, Wellenlängenmultiplexer, optische Schalter, Laser und andere mikro-nanooptische Bauelemente. Optische Mikroresonatoren bündeln Licht auf kleinste Bereiche und verstärken die Wechselwirkung von Licht und Materie erheblich. Daher sind optische Mikroresonatoren mit hohem Gütefaktor ein wichtiger Ansatz für hochempfindliche Sensorik und Detektion.
WGM-Mikroresonator
Optische Mikroresonatoren haben in den letzten Jahren aufgrund ihres großen Anwendungspotenzials und ihrer wissenschaftlichen Bedeutung viel Aufmerksamkeit erregt. Sie bestehen hauptsächlich aus Mikrokugeln, Mikrosäulen, Mikroringen und anderen geometrischen Strukturen. Es handelt sich um morphologieabhängige optische Resonatoren. Lichtwellen werden in Mikroresonatoren an der Grenzfläche vollständig reflektiert, wodurch ein Resonanzmodus entsteht, der als Flüstergaleriemodus (WGM) bezeichnet wird. Im Vergleich zu anderen optischen Resonatoren zeichnen sich Mikroresonatoren durch einen hohen Q-Faktor (größer als 10⁶), ein geringes Modenvolumen, kleine Abmessungen und einfache Integration aus und finden Anwendung in der hochempfindlichen biochemischen Sensorik, bei Lasern mit extrem niedriger Schwellenleistung und in nichtlinearen Systemen. Ziel unserer Forschung ist es, die Eigenschaften verschiedener Strukturen und Morphologien von Mikroresonatoren zu untersuchen und diese neuen Eigenschaften anzuwenden. Die wichtigsten Forschungsrichtungen umfassen die Untersuchung der optischen Eigenschaften von WGM-Mikroresonatoren, die Herstellung von Mikroresonatoren und deren Anwendung.
WGM-Mikroresonator-Biochemie-Sensorik
Im Experiment wurde der WGM-Modus vierter Ordnung (M1, Abb. 1(a)) zur Messung verwendet. Im Vergleich zum Modus niedrigerer Ordnung war die Empfindlichkeit des Modus höherer Ordnung deutlich verbessert (Abb. 1(b)).
Abbildung 1. Resonanzmodus (a) des Mikrokapillarhohlraums und seine entsprechende Brechungsindexempfindlichkeit (b)
Abstimmbarer optischer Filter mit hohem Q-Wert
Zunächst wird der radial langsam veränderliche zylindrische Mikroresonator herausgezogen. Anschließend kann die Wellenlängenabstimmung durch mechanisches Verschieben der Kopplungsposition gemäß dem Form-Größen-Prinzip aufgrund der Resonanzwellenlänge erreicht werden (Abbildung 2 (a)). Die Abstimmbarkeit und die Filterbandbreite sind in Abbildung 2 (b) und (c) dargestellt. Darüber hinaus ermöglicht das Gerät die optische Wegmessung mit subnanometergenauer Präzision.
Abbildung 2. Schematische Darstellung des abstimmbaren optischen Filters (a), Abstimmverhalten (b) und Filterbandbreite (c)
WGM-Mikrofluidik-Tropfenresonator
Im mikrofluidischen Chip, insbesondere bei Tropfen in Öl (Tropfen-in-Öl), suspendieren diese aufgrund der Oberflächenspannung bei Durchmessern von mehreren zehn oder sogar hundert Mikrometern im Öl und bilden eine nahezu perfekte Kugel. Durch Optimierung des Brechungsindex fungiert der Tropfen selbst als idealer sphärischer Resonator mit einem Gütefaktor von über 10⁸. Dadurch wird auch das Problem der Verdunstung im Öl vermieden. Relativ große Tropfen „sitzen“ aufgrund von Dichteunterschieden an den oberen oder unteren Seitenwänden. Diese Tropfen können nur im lateralen Anregungsmodus verwendet werden.
Veröffentlichungsdatum: 23. Oktober 2023