Η μικρο-νανοφωτονική μελετά κυρίως τον νόμο της αλληλεπίδρασης μεταξύ φωτός και ύλης σε μικρο και νανο κλίμακα και την εφαρμογή του στην παραγωγή, μετάδοση, ρύθμιση, ανίχνευση και ανίχνευση φωτός. Οι μικρο-νανοφωτονικές συσκευές υπομήκους κύματος μπορούν να βελτιώσουν αποτελεσματικά τον βαθμό ενσωμάτωσης φωτονίων και αναμένεται να ενσωματώσουν φωτονικές συσκευές σε ένα μικρό οπτικό τσιπ όπως τα ηλεκτρονικά τσιπ. Η νανο-επιφανειακή πλασμονική είναι ένας νέος τομέας της μικρο-νανοφωτονικής, ο οποίος μελετά κυρίως την αλληλεπίδραση μεταξύ φωτός και ύλης σε μεταλλικές νανοδομές. Έχει τα χαρακτηριστικά του μικρού μεγέθους, της υψηλής ταχύτητας και της υπέρβασης του παραδοσιακού ορίου περίθλασης. Η δομή νανοπλάσματος-κυματοδηγού, η οποία έχει καλά χαρακτηριστικά τοπικής ενίσχυσης πεδίου και φιλτραρίσματος συντονισμού, αποτελεί τη βάση του νανοφίλτρου, του πολυπλέκτη διαίρεσης μήκους κύματος, του οπτικού διακόπτη, του λέιζερ και άλλων μικρο-νανοπτικών συσκευών. Οι οπτικές μικροκοιλότητες περιορίζουν το φως σε μικροσκοπικές περιοχές και ενισχύουν σημαντικά την αλληλεπίδραση μεταξύ φωτός και ύλης. Επομένως, η οπτική μικροκοιλότητα με υψηλό συντελεστή ποιότητας είναι ένας σημαντικός τρόπος ανίχνευσης και ανίχνευσης υψηλής ευαισθησίας.
Μικροκοιλότητα WGM
Τα τελευταία χρόνια, η οπτική μικροκοιλότητα έχει προσελκύσει μεγάλο ενδιαφέρον λόγω του μεγάλου δυναμικού εφαρμογής της και της επιστημονικής σημασίας της. Η οπτική μικροκοιλότητα αποτελείται κυρίως από μικροσφαίρες, μικροστήλες, μικροδακτυλίους και άλλες γεωμετρίες. Είναι ένα είδος μορφολογικά εξαρτώμενου οπτικού συντονιστή. Τα φωτεινά κύματα στις μικροκοιλότητες ανακλώνται πλήρως στη διεπαφή της μικροκοιλότητας, με αποτέλεσμα μια λειτουργία συντονισμού που ονομάζεται λειτουργία ψιθυριστής γκαλερί (WGM). Σε σύγκριση με άλλους οπτικούς συντονιστές, οι μικροσυντονιστές έχουν τα χαρακτηριστικά υψηλής τιμής Q (μεγαλύτερη από 106), χαμηλού όγκου λειτουργίας, μικρού μεγέθους και εύκολης ενσωμάτωσης κ.λπ., και έχουν εφαρμοστεί σε βιοχημική ανίχνευση υψηλής ευαισθησίας, λέιζερ εξαιρετικά χαμηλού κατωφλίου και μη γραμμική δράση. Στόχος της έρευνάς μας είναι να βρούμε και να μελετήσουμε τα χαρακτηριστικά διαφορετικών δομών και διαφορετικών μορφολογιών των μικροκοιλοτήτων, και να εφαρμόσουμε αυτά τα νέα χαρακτηριστικά. Οι κύριες ερευνητικές κατευθύνσεις περιλαμβάνουν: έρευνα οπτικών χαρακτηριστικών μικροκοιλότητας WGM, έρευνα κατασκευής μικροκοιλότητας, έρευνα εφαρμογών μικροκοιλότητας κ.λπ.
Βιοχημική ανίχνευση μικροκοιλοτήτων WGM
Στο πείραμα, χρησιμοποιήθηκε η λειτουργία WGM υψηλής τάξης τεσσάρων τάξεων M1 (ΣΧ. 1(α)) για την ανίχνευση της μέτρησης. Σε σύγκριση με τη λειτουργία χαμηλής τάξης, η ευαισθησία της λειτουργίας υψηλής τάξης βελτιώθηκε σημαντικά (ΣΧ. 1(β)).
Σχήμα 1. Λειτουργία συντονισμού (α) της μικροτριχοειδικής κοιλότητας και η αντίστοιχη ευαισθησία του δείκτη διάθλασης (β)
Ρυθμιζόμενο οπτικό φίλτρο με υψηλή τιμή Q
Αρχικά, η ακτινικά μεταβαλλόμενη αργά κυλινδρική μικροκοιλότητα τραβιέται προς τα έξω και στη συνέχεια η ρύθμιση του μήκους κύματος μπορεί να επιτευχθεί μετακινώντας μηχανικά τη θέση σύζευξης με βάση την αρχή του μεγέθους σχήματος από το μήκος κύματος συντονισμού (Σχήμα 2 (α)). Η ρυθμιζόμενη απόδοση και το εύρος ζώνης φιλτραρίσματος φαίνονται στο Σχήμα 2 (β) και (γ). Επιπλέον, η συσκευή μπορεί να πραγματοποιήσει ανίχνευση οπτικής μετατόπισης με ακρίβεια υπο-νανομέτρων.
Σχήμα 2. Σχηματικό διάγραμμα ρυθμιζόμενου οπτικού φίλτρου (α), ρυθμιζόμενης απόδοσης (β) και εύρους ζώνης φίλτρου (γ)
Συντονιστής μικρορευστικών σταγόνων WGM
Στο μικρορευστομηχανικό τσιπ, ειδικά για τη σταγόνα στο λάδι (σταγόνα σε λάδι), λόγω των χαρακτηριστικών της επιφανειακής τάσης, για διάμετρο δεκάδων ή και εκατοντάδων μικρών, θα αιωρείται στο λάδι, σχηματίζοντας μια σχεδόν τέλεια σφαίρα. Μέσω της βελτιστοποίησης του δείκτη διάθλασης, η ίδια η σταγόνα είναι ένας τέλειος σφαιρικός συντονιστής με συντελεστή ποιότητας μεγαλύτερο από 108. Αποφεύγεται επίσης το πρόβλημα της εξάτμισης στο λάδι. Για σχετικά μεγάλα σταγονίδια, θα "κάθονται" στα άνω ή κάτω πλευρικά τοιχώματα λόγω διαφορών πυκνότητας. Αυτός ο τύπος σταγόνας μπορεί να χρησιμοποιήσει μόνο τη λειτουργία πλευρικής διέγερσης.
Ώρα δημοσίευσης: 23 Οκτωβρίου 2023