ไมโคร-นาโนโฟโตนิกส์คืออะไร?

โฟโตนิกส์ระดับไมโคร-นาโนส่วนใหญ่ศึกษาเกี่ยวกับกฎปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงและสสารในระดับไมโครและนาโน และการประยุกต์ใช้ในการสร้าง การส่งผ่าน การควบคุม การตรวจจับ และการตรวจจับแสง อุปกรณ์โฟโตนิกส์ระดับไมโคร-นาโนที่มีความยาวคลื่นต่ำกว่าสามารถปรับปรุงระดับการรวมตัวของโฟตอนได้อย่างมีประสิทธิภาพ และคาดว่าจะสามารถรวมอุปกรณ์โฟโตนิกส์เข้ากับชิปออปติคัลขนาดเล็ก เช่น ชิปอิเล็กทรอนิกส์ พลาสโมนิกส์พื้นผิวนาโนเป็นสาขาใหม่ของโฟโตนิกส์ระดับไมโคร-นาโน ซึ่งส่วนใหญ่ศึกษาปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงและสสารในโครงสร้างนาโนโลหะ พลาสโมนิกส์มีขนาดเล็ก ความเร็วสูง และเอาชนะขีดจำกัดการเลี้ยวเบนแบบเดิม โครงสร้างท่อนำคลื่นพลาสมานาโน ซึ่งมีคุณสมบัติการเพิ่มประสิทธิภาพสนามแม่เหล็กเฉพาะที่และการกรองเรโซแนนซ์ที่ดี เป็นพื้นฐานของตัวกรองนาโน มัลติเพล็กเซอร์แบบแบ่งความยาวคลื่น สวิตช์ออปติคัล เลเซอร์ และอุปกรณ์ออปติคัลระดับไมโคร-นาโนอื่นๆ โพรงแสงขนาดเล็กจำกัดแสงให้อยู่ในพื้นที่ขนาดเล็กและเพิ่มประสิทธิภาพปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงและสสารอย่างมาก ดังนั้น โพรงแสงขนาดเล็กที่มีค่าคุณภาพสูงจึงเป็นวิธีการสำคัญในการตรวจจับและตรวจจับความไวสูง

ไมโครคาวิตี้ WGM

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ไมโครคาวิตี้เชิงแสงได้รับความสนใจอย่างมากเนื่องจากมีศักยภาพในการนำไปประยุกต์ใช้อย่างกว้างขวางและมีความสำคัญทางวิทยาศาสตร์ ไมโครคาวิตี้เชิงแสงประกอบด้วยไมโครสเฟียร์ ไมโครคอลัมน์ ไมโครริง และรูปทรงเรขาคณิตอื่นๆ เป็นหลัก ไมโครคาวิตี้เป็นเรโซเนเตอร์เชิงแสงที่ขึ้นอยู่กับสัณฐานวิทยา คลื่นแสงในไมโครคาวิตี้จะถูกสะท้อนอย่างเต็มที่ที่ส่วนต่อประสานไมโครคาวิตี้ ส่งผลให้เกิดโหมดเรโซแนนซ์ที่เรียกว่าโหมดแกลเลอรีกระซิบ (WGM) เมื่อเปรียบเทียบกับเรโซเนเตอร์เชิงแสงอื่นๆ ไมโครคาวิตี้มีคุณสมบัติเด่นคือค่า Q สูง (มากกว่า 106) ปริมาตรโหมดต่ำ ขนาดเล็ก และง่ายต่อการติดตั้ง ฯลฯ และถูกนำไปประยุกต์ใช้กับการตรวจจับทางชีวเคมีที่มีความไวสูง เลเซอร์เกณฑ์ต่ำพิเศษ และการทำงานแบบไม่เชิงเส้น เป้าหมายการวิจัยของเราคือการค้นหาและศึกษาลักษณะของโครงสร้างและสัณฐานวิทยาที่แตกต่างกันของไมโครคาวิตี้ และนำลักษณะใหม่เหล่านี้ไปประยุกต์ใช้ ทิศทางการวิจัยหลักประกอบด้วย: การวิจัยลักษณะทางแสงของไมโครคาวิตี้ WGM การวิจัยการผลิตไมโครคาวิตี้ การวิจัยการประยุกต์ใช้ไมโครคาวิตี้ ฯลฯ

การตรวจจับทางชีวเคมีของไมโครคาวิตี้ WGM

ในการทดลองนี้ ได้ใช้โหมด WGM สี่อันดับสูง M1 (รูปที่ 1(a)) สำหรับการวัดค่าการตรวจจับ เมื่อเทียบกับโหมดอันดับต่ำ ความไวของโหมดอันดับสูงได้รับการปรับปรุงอย่างมาก (รูปที่ 1(b))

รูปที่ 1 โหมดเรโซแนนซ์ (ก) ของโพรงไมโครแคปิลลารีและความไวต่อดัชนีหักเหแสงที่สอดคล้องกัน (ข)

ฟิลเตอร์ออปติคัลแบบปรับได้พร้อมค่า Q สูง

ขั้นแรก ไมโครคาวิตี้ทรงกระบอกที่เปลี่ยนแปลงอย่างช้าๆ ในแนวรัศมีจะถูกดึงออก จากนั้นการปรับความยาวคลื่นสามารถทำได้โดยการเคลื่อนที่ตำแหน่งคัปปลิ้งด้วยกลไกตามหลักการของขนาดรูปร่างตั้งแต่ความยาวคลื่นเรโซแนนซ์ (รูปที่ 2 (a)) ประสิทธิภาพที่ปรับได้และแบนด์วิดท์การกรองแสดงไว้ในรูปที่ 2 (b) และ (c) นอกจากนี้ อุปกรณ์ยังสามารถตรวจจับการเคลื่อนที่ด้วยแสงได้ด้วยความแม่นยำระดับต่ำกว่านาโนเมตร

รูปที่ 2 แผนผังของตัวกรองแสงแบบปรับได้ (a) ประสิทธิภาพที่ปรับได้ (b) และแบนด์วิดท์ของตัวกรอง (c)

เรโซเนเตอร์หยดไมโครฟลูอิดิก WGM

ในชิปไมโครฟลูอิดิก โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับหยดน้ำมันในน้ำมัน (droplet in-oil) เนื่องจากลักษณะเฉพาะของแรงตึงผิว สำหรับเส้นผ่านศูนย์กลางหลายสิบหรือหลายร้อยไมครอน หยดน้ำมันจะถูกแขวนลอยอยู่ในน้ำมัน ก่อตัวเป็นทรงกลมที่เกือบสมบูรณ์แบบ ด้วยการปรับดัชนีหักเหให้เหมาะสมที่สุด หยดน้ำมันเองจึงเป็นตัวสะท้อนทรงกลมที่สมบูรณ์แบบด้วยปัจจัยคุณภาพมากกว่า 108 นอกจากนี้ยังหลีกเลี่ยงปัญหาการระเหยในน้ำมัน สำหรับหยดน้ำมันที่มีขนาดค่อนข้างใหญ่ หยดน้ำมันจะ "เกาะ" บนผนังด้านบนหรือด้านล่างเนื่องจากความแตกต่างของความหนาแน่น หยดน้ำมันชนิดนี้สามารถใช้ได้เฉพาะโหมดการกระตุ้นด้านข้างเท่านั้น