Micro-nanofotonica bestudeert voornamelijk de wetmatigheden van de interactie tussen licht en materie op micro- en nanoschaal en de toepassingen ervan in lichtgeneratie, -transmissie, -regulering, -detectie en -sensoren. Subgolflengte-apparaten in de micro-nanofotonica kunnen de mate van fotonintegratie effectief verbeteren, en de verwachting is dat fotonische apparaten in een kleine optische chip, vergelijkbaar met elektronische chips, geïntegreerd kunnen worden. Nano-oppervlakteplasmonica is een nieuw vakgebied binnen de micro-nanofotonica, dat zich voornamelijk richt op de interactie tussen licht en materie in metalen nanostructuren. Het kenmerkt zich door een kleine afmeting, hoge snelheid en het overwinnen van de traditionele diffractielimiet. De nanoplasma-golfgeleiderstructuur, die goede lokale veldversterking en resonantiefiltereigenschappen heeft, vormt de basis voor nanofilters, golflengtemultiplexers, optische schakelaars, lasers en andere micro-nano-optische apparaten. Optische microholtes beperken licht tot minuscule gebieden en versterken de interactie tussen licht en materie aanzienlijk. Daarom is een optische microholte met een hoge kwaliteitsfactor een belangrijke methode voor zeer gevoelige sensoren en detectie.
WGM-microholte
De laatste jaren heeft de optische microholte veel aandacht gekregen vanwege het grote toepassingspotentieel en de wetenschappelijke betekenis ervan. Een optische microholte bestaat hoofdzakelijk uit microsferen, microkolommen, microringen en andere geometrieën. Het is een soort morfologisch afhankelijke optische resonator. Lichtgolven in microholtes worden volledig gereflecteerd aan het grensvlak van de microholte, wat resulteert in een resonantiemodus die de whispering gallery mode (WGM) wordt genoemd. In vergelijking met andere optische resonatoren hebben microresonatoren de kenmerken van een hoge Q-factor (groter dan 10⁶), een laag modusvolume, een klein formaat en eenvoudige integratie, enzovoort. Ze worden toegepast in zeer gevoelige biochemische sensoren, lasers met een ultralage drempel en niet-lineaire processen. Ons onderzoeksdoel is het vinden en bestuderen van de kenmerken van verschillende structuren en morfologieën van microholtes en het toepassen van deze nieuwe kenmerken. De belangrijkste onderzoeksrichtingen omvatten: onderzoek naar de optische eigenschappen van WGM-microholtes, fabricageonderzoek van microholtes en toepassingsonderzoek van microholtes.
WGM microholte biochemische detectie
In het experiment werd de vierde-orde WGM-modus M1 (figuur 1(a)) gebruikt voor de sensormeting. In vergelijking met de laag-orde modus was de gevoeligheid van de hoog-orde modus aanzienlijk verbeterd (figuur 1(b)).
Figuur 1. Resonantiemodus (a) van de microcapillaire holte en de bijbehorende gevoeligheid van de brekingsindex (b).
Afstembaar optisch filter met hoge Q-waarde
Eerst wordt de radiaal langzaam veranderende cilindrische microholte eruit getrokken, waarna de golflengteafstemming kan worden bereikt door de koppelingspositie mechanisch te verplaatsen op basis van het principe van vorm en grootte, aangezien de resonantiegolflengte (Figuur 2 (a)). De afstembaarheid en de filterbandbreedte worden weergegeven in Figuur 2 (b) en (c). Bovendien kan het apparaat optische verplaatsingsdetectie realiseren met een nauwkeurigheid van minder dan een nanometer.
Figuur 2. Schematisch diagram van een afstembaar optisch filter (a), afstembaarheid (b) en filterbandbreedte (c).
WGM microfluïdische druppelresonator
In de microfluïdische chip, met name voor druppels in olie (droplet in-oil), zal een druppel met een diameter van tientallen of zelfs honderden microns, dankzij de eigenschappen van de oppervlaktespanning, in de olie zweven en een bijna perfecte bol vormen. Door optimalisatie van de brekingsindex is de druppel zelf een perfecte bolvormige resonator met een kwaliteitsfactor van meer dan 10⁸. Dit voorkomt ook het probleem van verdamping in de olie. Relatief grote druppels zullen door dichtheidsverschillen op de boven- of onderwand blijven liggen. Dit type druppel kan alleen in de laterale excitatiemodus worden gebruikt.
Geplaatst op: 23 oktober 2023