ไมโครนาโนโฟโตนิกส์คืออะไร?

ไมโครนาโนโฟโตนิกส์ศึกษากฎปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงและสสารในระดับไมโครและนาโนเป็นหลัก และการประยุกต์ใช้ในการสร้างแสง การส่งผ่าน การควบคุม การตรวจจับ และการตรวจจับ อุปกรณ์ความยาวคลื่นย่อยไมโครนาโนโฟโตนิกส์สามารถปรับปรุงระดับการรวมโฟตอนได้อย่างมีประสิทธิภาพ และคาดว่าจะรวมอุปกรณ์โฟตอนิกเข้ากับชิปออปติคัลขนาดเล็กเช่นชิปอิเล็กทรอนิกส์ พลาสโมนิกพื้นผิวนาโนเป็นสาขาใหม่ของไมโครนาโนโฟโตนิกส์ ซึ่งศึกษาปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงและสสารในโครงสร้างนาโนของโลหะเป็นหลัก มีคุณลักษณะขนาดเล็ก ความเร็วสูง และเอาชนะขีดจำกัดการเลี้ยวเบนแบบเดิมๆ โครงสร้างท่อนำคลื่นนาโนพลาสมาซึ่งมีการปรับปรุงสนามแม่เหล็กที่ดีและคุณลักษณะการกรองด้วยคลื่นสะท้อน เป็นพื้นฐานของตัวกรองนาโน มัลติเพล็กเซอร์แบบแบ่งความยาวคลื่น สวิตช์แสง เลเซอร์ และอุปกรณ์ออปติคอลไมโครนาโนอื่นๆ ช่องเล็กๆ ทางแสงจะจำกัดแสงไว้ในบริเวณเล็กๆ และเพิ่มปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงและสสารอย่างมาก ดังนั้น microcavity แบบออปติคัลที่มีแฟกเตอร์คุณภาพสูงจึงเป็นวิธีสำคัญในการตรวจจับและตรวจจับความไวสูง

โพรงขนาดเล็ก WGM

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา microcavity แบบใช้แสงได้รับความสนใจอย่างมากเนื่องจากมีศักยภาพในการใช้งานที่ยอดเยี่ยมและมีความสำคัญทางวิทยาศาสตร์ ไมโครคาวิตี้เชิงแสงส่วนใหญ่ประกอบด้วยไมโครสเฟียร์ ไมโครคอลัมน์ ไมโครริง และรูปทรงอื่นๆ มันเป็นตัวสะท้อนแสงชนิดหนึ่งที่ขึ้นกับสัณฐานวิทยา คลื่นแสงใน microcavity จะถูกสะท้อนอย่างสมบูรณ์ที่ส่วนต่อประสาน microcavity ส่งผลให้เกิดโหมดเรโซแนนซ์ที่เรียกว่าโหมดแกลเลอรีเสียงกระซิบ (WGM) เมื่อเปรียบเทียบกับตัวสะท้อนแสงแบบอื่น ตัวสะท้อนเสียงขนาดเล็กมีลักษณะเฉพาะของค่า Q สูง (มากกว่า 106) ปริมาตรในโหมดต่ำ ขนาดเล็ก และบูรณาการได้ง่าย ฯลฯ และถูกนำไปใช้กับการตรวจจับทางชีวเคมีความไวสูง เลเซอร์ขีดจำกัดต่ำพิเศษ และ การกระทำที่ไม่เชิงเส้น เป้าหมายการวิจัยของเราคือการค้นหาและศึกษาลักษณะของโครงสร้างที่แตกต่างกันและสัณฐานวิทยาที่แตกต่างกันของโพรงขนาดเล็ก และนำคุณลักษณะใหม่เหล่านี้ไปใช้ ทิศทางการวิจัยหลัก ได้แก่: การวิจัยลักษณะทางแสงของ microcavity ของ WGM, การวิจัยการประดิษฐ์ของ microcavity, การวิจัยการประยุกต์ใช้ของ microcavity เป็นต้น

การตรวจจับทางชีวเคมีขนาดเล็กของ WGM

ในการทดลอง โหมด WGM ลำดับสูงสี่ลำดับ M1(รูปที่ 1(a)) ถูกนำมาใช้สำหรับการตรวจจับการวัด เมื่อเปรียบเทียบกับโหมดลำดับต่ำ ความไวของโหมดลำดับสูงได้รับการปรับปรุงอย่างมาก (รูปที่ 1(b))

รูปที่ 1 โหมดเรโซแนนซ์ (a) ของโพรงไมโครแคปิลลารีและความไวของดัชนีการหักเหของแสงที่สอดคล้องกัน (b)

ฟิลเตอร์ออปติคัลแบบปรับได้ที่มีค่า Q สูง

ขั้นแรก ให้ดึงไมโครคาวิตี้ทรงกระบอกที่เปลี่ยนแปลงอย่างช้าๆ ในแนวรัศมีออก จากนั้นจึงสามารถปรับความยาวคลื่นได้โดยการย้ายตำแหน่งคัปปลิ้งโดยใช้กลไกตามหลักการของขนาดรูปร่างตั้งแต่ความยาวคลื่นเรโซแนนซ์ (รูปที่ 2 (a)) ประสิทธิภาพที่ปรับได้และแบนด์วิธการกรองจะแสดงในรูปที่ 2 (b) และ (c) นอกจากนี้ อุปกรณ์ยังสามารถรับรู้ถึงการตรวจจับการเคลื่อนที่ด้วยแสงด้วยความแม่นยำระดับต่ำกว่านาโนเมตร

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

เครื่องสะท้อนเสียงแบบหยดไมโครฟลูอิดิก WGM

ในชิปไมโครฟลูอิดิกโดยเฉพาะหยดในน้ำมัน (droplet in-oil) เนื่องจากลักษณะของแรงตึงผิวสำหรับเส้นผ่านศูนย์กลางหลายสิบหรือหลายร้อยไมครอนมันจะถูกแขวนลอยอยู่ในน้ำมันจนกลายเป็นเกือบ ทรงกลมที่สมบูรณ์แบบ ด้วยการปรับดัชนีการหักเหของแสงให้เหมาะสม ตัวหยดเองจึงเป็นเครื่องสะท้อนเสียงทรงกลมที่สมบูรณ์แบบด้วยปัจจัยด้านคุณภาพมากกว่า 108 นอกจากนี้ยังช่วยหลีกเลี่ยงปัญหาการระเหยในน้ำมันอีกด้วย สำหรับหยดที่มีขนาดค่อนข้างใหญ่ พวกมันจะ "นั่ง" บนผนังด้านบนหรือด้านล่างเนื่องจากความหนาแน่นต่างกัน หยดประเภทนี้สามารถใช้ได้เฉพาะโหมดการกระตุ้นด้านข้างเท่านั้น