ไมโครนาโนโฟโตนิกส์คืออะไร?

โฟโตนิกส์ระดับไมโคร-นาโนส่วนใหญ่ศึกษาเกี่ยวกับกฎของปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงและสสารในระดับไมโครและนาโน และการประยุกต์ใช้ในการสร้างแสง การส่งผ่าน การควบคุม การตรวจจับ และการรับรู้ อุปกรณ์โฟโตนิกส์ระดับย่อยของไมโคร-นาโนสามารถปรับปรุงระดับการรวมโฟตอนได้อย่างมีประสิทธิภาพ และคาดว่าจะรวมอุปกรณ์โฟโตนิกส์เข้ากับชิปออปติกขนาดเล็ก เช่น ชิปอิเล็กทรอนิกส์ พลาสมอนิกส์พื้นผิวระดับนาโนเป็นสาขาใหม่ของโฟโตนิกส์ระดับไมโคร-นาโน ซึ่งส่วนใหญ่ศึกษาปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงและสสารในโครงสร้างนาโนโลหะ มีลักษณะเฉพาะคือขนาดเล็ก ความเร็วสูง และเอาชนะขีดจำกัดการเลี้ยวเบนแบบเดิมได้ โครงสร้างท่อนำคลื่นพลาสม่าระดับนาโน ซึ่งมีคุณสมบัติการเพิ่มประสิทธิภาพสนามท้องถิ่นและการกรองเรโซแนนซ์ที่ดี เป็นพื้นฐานของตัวกรองระดับนาโน มัลติเพล็กเซอร์การแบ่งความยาวคลื่น สวิตช์ออปติก เลเซอร์ และอุปกรณ์ออปติกระดับไมโคร-นาโนอื่นๆ โพรงไมโครออปติกจำกัดแสงให้อยู่ในบริเวณเล็กๆ และเพิ่มปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงและสสารอย่างมาก ดังนั้น โพรงไมโครออปติกที่มีปัจจัยคุณภาพสูงจึงเป็นวิธีสำคัญในการรับรู้และตรวจจับความไวสูง

ไมโครคาวิตี้ WGM

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ไมโครคาวิตี้แบบออปติคอลได้รับความสนใจอย่างมากเนื่องจากมีศักยภาพในการใช้งานที่ยอดเยี่ยมและมีความสำคัญทางวิทยาศาสตร์ ไมโครคาวิตี้แบบออปติคอลประกอบด้วยไมโครสเฟียร์ ไมโครคอลัมน์ ไมโครริง และรูปทรงเรขาคณิตอื่นๆ เป็นหลัก ไมโครคาวิตี้เป็นเรโซเนเตอร์ออปติคอลที่ขึ้นอยู่กับสัณฐานวิทยา คลื่นแสงในไมโครคาวิตี้จะสะท้อนกลับอย่างเต็มที่ที่อินเทอร์เฟซไมโครคาวิตี้ ส่งผลให้เกิดโหมดเรโซแนนซ์ที่เรียกว่าโหมดแกลเลอรีกระซิบ (WGM) เมื่อเปรียบเทียบกับเรโซเนเตอร์ออปติคอลอื่นๆ ไมโครคาวิตี้มีลักษณะเฉพาะคือมีค่า Q สูง (มากกว่า 106) ปริมาตรโหมดต่ำ ขนาดเล็ก และผสานรวมได้ง่าย เป็นต้น และถูกนำไปใช้ในการตรวจจับทางชีวเคมีที่มีความไวสูง เลเซอร์เกณฑ์ต่ำพิเศษ และการกระทำที่ไม่เป็นเชิงเส้น เป้าหมายการวิจัยของเราคือการค้นหาและศึกษาลักษณะเฉพาะของโครงสร้างที่แตกต่างกันและสัณฐานวิทยาที่แตกต่างกันของไมโครคาวิตี้ และนำลักษณะใหม่เหล่านี้ไปใช้ ทิศทางการวิจัยหลัก ได้แก่ การวิจัยลักษณะเฉพาะทางแสงของไมโครคาวิตี้ WGM การวิจัยการผลิตไมโครคาวิตี้ การวิจัยการประยุกต์ใช้ไมโครคาวิตี้ เป็นต้น

การตรวจจับทางชีวเคมีของไมโครคาวิตี้ WGM

ในการทดลองนั้น โหมด WGM ระดับสูงสี่ลำดับ M1 (รูปที่ 1(a)) ถูกใช้สำหรับการวัดการตรวจจับ เมื่อเปรียบเทียบกับโหมดลำดับต่ำ ความไวของโหมดลำดับสูงได้รับการปรับปรุงอย่างมาก (รูปที่ 1(b))

รูปที่ 1 โหมดเรโซแนนซ์ (ก) ของโพรงไมโครแคปิลลารีและความไวต่อดัชนีหักเหแสงที่สอดคล้องกัน (ข)

ฟิลเตอร์ออปติกแบบปรับได้ที่มีค่า Q สูง

ขั้นแรก ไมโครคาวิตี้ทรงกระบอกที่เปลี่ยนแปลงช้าๆ ในแนวรัศมีจะถูกดึงออก จากนั้นจึงสามารถปรับความยาวคลื่นได้โดยการย้ายตำแหน่งคัปปลิ้งด้วยกลไกตามหลักการของขนาดรูปร่างตั้งแต่ความยาวคลื่นเรโซแนนซ์ (รูปที่ 2 (a)) ประสิทธิภาพที่ปรับได้และแบนด์วิดท์การกรองจะแสดงในรูปที่ 2 (b) และ (c) นอกจากนี้ อุปกรณ์ยังสามารถรับรู้การเคลื่อนตัวของแสงด้วยความแม่นยำระดับต่ำกว่านาโนเมตร

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

ไมโครฟลูอิดิกดรอปเรโซเนเตอร์ WGM

ในชิปไมโครฟลูอิดิกโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับหยดน้ำมัน (droplet in-oil) เนื่องจากลักษณะของแรงตึงผิวสำหรับเส้นผ่านศูนย์กลางหลายสิบหรือหลายร้อยไมครอนมันจะถูกแขวนลอยในน้ำมันสร้างทรงกลมที่เกือบสมบูรณ์แบบ ด้วยการเพิ่มประสิทธิภาพของดัชนีหักเหแสง หยดน้ำมันเองจึงเป็นตัวสะท้อนทรงกลมที่สมบูรณ์แบบพร้อมปัจจัยคุณภาพมากกว่า 108 นอกจากนี้ยังหลีกเลี่ยงปัญหาการระเหยในน้ำมัน สำหรับหยดน้ำมันที่ค่อนข้างใหญ่ พวกมันจะ "นั่ง" บนผนังด้านบนหรือด้านล่างเนื่องจากความแตกต่างของความหนาแน่น หยดน้ำประเภทนี้สามารถใช้โหมดการกระตุ้นด้านข้างเท่านั้น