ไมโครนาโนโฟโตนิกส์คืออะไร?

ไมโครนาโนโฟโตนิกส์ศึกษาหลักการปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงและสสารในระดับไมโครและนาโน และการประยุกต์ใช้ในการสร้าง การส่งผ่าน การควบคุม การตรวจจับ และการตรวจวัดแสง อุปกรณ์ไมโครนาโนโฟโตนิกส์ที่มีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นสามารถปรับปรุงระดับการรวมโฟตอนได้อย่างมีประสิทธิภาพ และคาดว่าจะสามารถรวมอุปกรณ์โฟโตนิกส์เข้ากับชิปออปติคอลขนาดเล็กเช่นเดียวกับชิปอิเล็กทรอนิกส์ได้ นาโนเซอร์เฟซพลาสโมนิกส์เป็นสาขาใหม่ของไมโครนาโนโฟโตนิกส์ ซึ่งศึกษาปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงและสสารในโครงสร้างนาโนโลหะเป็นหลัก มีลักษณะเด่นคือขนาดเล็ก ความเร็วสูง และเอาชนะข้อจำกัดการเลี้ยวเบนแบบดั้งเดิม โครงสร้างนาโนพลาสมาเวฟไกด์ ซึ่งมีคุณสมบัติในการเพิ่มความเข้มของสนามเฉพาะที่และการกรองแบบเรโซแนนซ์ที่ดี เป็นพื้นฐานของตัวกรองนาโน ตัวแยกสัญญาณแบบแบ่งความยาวคลื่น สวิตช์แสง เลเซอร์ และอุปกรณ์ออปติคอลไมโครนาโนอื่นๆ โพรงแสงขนาดเล็กจำกัดแสงให้อยู่ในบริเวณเล็กๆ และเพิ่มปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงและสสารอย่างมาก ดังนั้น โพรงแสงขนาดเล็กที่มีค่าคุณภาพสูงจึงเป็นวิธีสำคัญในการตรวจวัดและตรวจจับที่มีความไวสูง

ไมโครแควิที WGM

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ไมโครแควิทีเชิงแสงได้รับความสนใจอย่างมากเนื่องจากศักยภาพในการประยุกต์ใช้และความสำคัญทางวิทยาศาสตร์ที่สูง ไมโครแควิทีเชิงแสงส่วนใหญ่ประกอบด้วยทรงกลมขนาดเล็ก คอลัมน์ขนาดเล็ก วงแหวนขนาดเล็ก และรูปทรงเรขาคณิตอื่นๆ เป็นตัวเรโซเนเตอร์เชิงแสงชนิดหนึ่งที่ขึ้นอยู่กับรูปร่าง คลื่นแสงในไมโครแควิทีจะสะท้อนกลับอย่างสมบูรณ์ที่ส่วนต่อประสานของไมโครแควิที ส่งผลให้เกิดโหมดเรโซแนนซ์ที่เรียกว่าโหมดกระซิบแกลเลอรี (WGM) เมื่อเปรียบเทียบกับเรโซเนเตอร์เชิงแสงอื่นๆ ไมโครเรโซเนเตอร์มีลักษณะเฉพาะคือค่า Q สูง (มากกว่า 10⁶) ปริมาตรโหมดต่ำ ขนาดเล็ก และง่ายต่อการรวมเข้าด้วยกัน เป็นต้น และได้ถูกนำไปประยุกต์ใช้ในการตรวจวัดทางชีวเคมีที่มีความไวสูง เลเซอร์ที่มีเกณฑ์ต่ำมาก และการกระทำแบบไม่เชิงเส้น เป้าหมายการวิจัยของเราคือการค้นหาและศึกษาลักษณะเฉพาะของโครงสร้างและรูปร่างที่แตกต่างกันของไมโครแควิที และนำลักษณะเฉพาะใหม่เหล่านี้ไปประยุกต์ใช้ ทิศทางการวิจัยหลัก ได้แก่ การวิจัยลักษณะทางแสงของไมโครแควิที WGM การวิจัยการผลิตไมโครแควิที การวิจัยการประยุกต์ใช้ไมโครแควิที เป็นต้น

การตรวจวัดทางชีวเคมีด้วยไมโครแควิที WGM

ในการทดลองนี้ ใช้โหมด WGM ลำดับสูงลำดับที่สี่ M1 (รูปที่ 1(a)) สำหรับการวัดการตรวจจับ เมื่อเปรียบเทียบกับโหมดลำดับต่ำ ความไวของโหมดลำดับสูงได้รับการปรับปรุงอย่างมาก (รูปที่ 1(b))

รูปที่ 1. โหมดเรโซแนนซ์ (a) ของโพรงไมโครแคปิลลารีและความไวต่อดัชนีหักเหที่สอดคล้องกัน (b)

ตัวกรองแสงแบบปรับได้ที่มีค่า Q สูง

ขั้นแรก ไมโครแควิทีทรงกระบอกที่เปลี่ยนแปลงอย่างช้าๆ ในแนวรัศมีจะถูกดึงออก จากนั้นการปรับความยาวคลื่นสามารถทำได้โดยการเคลื่อนตำแหน่งการเชื่อมต่อทางกลตามหลักการของขนาดรูปร่างเนื่องจากความยาวคลื่นเรโซแนนซ์ (รูปที่ 2 (a)) ประสิทธิภาพที่ปรับได้และแบนด์วิดท์การกรองแสดงในรูปที่ 2 (b) และ (c) นอกจากนี้ อุปกรณ์ยังสามารถตรวจจับการกระจัดทางแสงด้วยความแม่นยำระดับต่ำกว่านาโนเมตรได้

รูปที่ 2 แผนภาพแสดงโครงสร้างของตัวกรองแสงแบบปรับได้ (a) ประสิทธิภาพการปรับได้ (b) และแบนด์วิดท์ของตัวกรอง (c)

ตัวเรโซเนเตอร์หยดไมโครฟลูอิดิก WGM

ในชิปไมโครฟลูอิดิก โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับหยดของเหลวในน้ำมัน (droplet in-oil) เนื่องจากคุณสมบัติของแรงตึงผิว สำหรับหยดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางหลายสิบหรือหลายร้อยไมครอน หยดนั้นจะลอยอยู่ในน้ำมันและก่อตัวเป็นทรงกลมที่สมบูรณ์แบบเกือบทั้งหมด ด้วยการปรับค่าดัชนีหักเหให้เหมาะสม หยดนั้นจึงเป็นตัวเรโซเนเตอร์ทรงกลมที่สมบูรณ์แบบด้วยค่าคุณภาพมากกว่า 108 นอกจากนี้ยังช่วยหลีกเลี่ยงปัญหาการระเหยในน้ำมัน สำหรับหยดที่มีขนาดค่อนข้างใหญ่ หยดนั้นจะ "เกาะ" อยู่ที่ผนังด้านบนหรือด้านล่างเนื่องจากความแตกต่างของความหนาแน่น หยดประเภทนี้สามารถใช้ได้เฉพาะโหมดการกระตุ้นด้านข้างเท่านั้น