Mi az a mikro-nano fotonika?

A mikro-nano fotonika főként a fény és az anyag közötti kölcsönhatás törvényét vizsgálja mikro- és nanoléptékben, valamint annak alkalmazását a fénygenerálásban, -átvitelben, -szabályozásban, -detektálásban és -érzékelésben. A mikro-nano fotonikai részhullámhosszú eszközök hatékonyan javíthatják a fotonintegráció mértékét, és várhatóan a fotonikus eszközöket egy kis optikai chipbe, például elektronikus chipekbe integrálják. A nanofelszíni plazmonika a mikro-nano fotonika új területe, amely elsősorban a fény és az anyag kölcsönhatását vizsgálja fém nanoszerkezetekben. Jellemzői a kis méret, a nagy sebesség és a hagyományos diffrakciós határ leküzdése. Nanoplazma-hullámvezető szerkezet, amely jó helyi térfokozó és rezonanciaszűrő tulajdonságokkal rendelkezik, a nanoszűrő, a hullámhosszosztásos multiplexer, az optikai kapcsoló, a lézer és más mikro-nano optikai eszközök alapja. Az optikai mikroüregek a fényt apró területekre korlátozzák, és nagymértékben fokozzák a fény és az anyag közötti kölcsönhatást. Ezért a magas minőségi faktorral rendelkező optikai mikroüreg a nagy érzékenységű érzékelés és detektálás fontos módja.

WGM mikroüreg

Az utóbbi években az optikai mikroüreg nagy figyelmet kapott nagy alkalmazási potenciálja és tudományos jelentősége miatt. Az optikai mikroüreg főleg mikrogömbökből, mikrooszlopokból, mikrogyűrűkből és egyéb geometriákból áll. Ez egyfajta morfológiai függő optikai rezonátor. A mikroüregekben lévő fényhullámok teljes mértékben visszaverődnek a mikroüreg határfelületén, ami egy rezonancia üzemmódot eredményez, amelyet suttogó galéria módnak (WGM) neveznek. Más optikai rezonátorokkal összehasonlítva a mikrorezonátorok jellemzői a magas Q-érték (106-nál nagyobb), az alacsony üzemmódú hangerő, a kis méret és a könnyű integráció stb., és nagy érzékenységű biokémiai érzékelésre, ultraalacsony küszöbű lézerre és nemlineáris cselekvés. Kutatási célunk a mikroüregek különböző struktúráinak és morfológiáinak jellemzőinek felkutatása, tanulmányozása, valamint ezen új jellemzők alkalmazása. A főbb kutatási irányok: WGM mikroüreg optikai jellemzőinek kutatása, mikroüreg gyártási kutatása, mikroüreg alkalmazási kutatása stb.

WGM mikroüreges biokémiai érzékelés

A kísérletben az M1 négyrendű, magas rendű WGM módot (1(a) ábra) használtuk az érzékelési méréshez. Az alacsony sorrendű móddal összehasonlítva a magasabb rendű mód érzékenysége jelentősen javult (1(b) ábra).

1. ábra A mikrokapilláris üreg rezonanciamódja (a) és a hozzá tartozó törésmutató érzékenysége (b)

Hangolható optikai szűrő magas Q értékkel

Először a radiálisan lassan változó hengeres mikroüreget húzzuk ki, majd a hullámhossz hangolást a csatolási pozíció mechanikus mozgatásával érhetjük el az alakméret elve alapján a rezonáns hullámhossz óta (2. ábra (a)). A hangolható teljesítményt és a szűrési sávszélességet a 2. ábra (b) és (c) mutatja. Emellett a készülék szubnanométeres pontossággal képes optikai elmozdulásérzékelést megvalósítani.

2. ábra: Hangolható optikai szűrő (a), hangolható teljesítménye (b) és szűrő sávszélessége (c)

WGM mikrofluidikus csepprezonátor

a mikrofluidikus chipben, különösen az olajban lévő cseppnél (csepp az olajban), a felületi feszültség sajátosságaiból adódóan több tíz vagy akár több száz mikron átmérőjénél az olajban szuszpendálva, közel egy kb. tökéletes gömb. A törésmutató optimalizálása révén a csepp maga tökéletes gömbrezonátor, minőségi tényezője meghaladja a 108-at. Ezzel elkerülhető az olaj párolgása is. Viszonylag nagy cseppek esetén a sűrűségkülönbségek miatt a felső vagy az alsó oldalfalakon „ülnek”. Az ilyen típusú cseppek csak az oldalirányú gerjesztési módot használhatják.