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回音壁模式光学探针—推动微腔传感走向实用的新突破

2018-09-13

近日,美国圣路易斯华盛顿大学的杨兰教授研究组,开发了一种回音壁模式光纤探针,该探针有望实现复杂环境下超高灵敏度传感应用。该研究以“A scatterer-assisted whispering-gallery-mode microprobe”为题,发表在2018年第8期的《Nanophotonics》期刊上。

上世纪末以来,由于回音壁模式光学微腔拥有极高的品质因子,可以将光子长时间局域于极小腔体内,因此极大地增强了共振光与外界物质的相互作用强度,可用于超高灵敏度的光学传感器件,例如,目前已经实现了对单个离子的有效检测。不仅如此,它的传感对象也很广泛,如:生化反应、温度、振动、电/磁场等。

在各种传感应用中,光学微腔传感器一般需要通过耦合器件输入输出光信号。传统上,人们多采用将近场耦合器件,例如集成光波导或者锥形光纤,靠近至光学微腔表面的纳米量级的模式倏逝场来实现与光学微腔模的有效耦合。但是,该近场耦合方法从原理上对波导的加工和光纤锥的对准提出了纳米量级的精度要求,而且耦合效率受限于折射率匹配的程度。

在本项研究中,研究人员旨在通过一种实用的耦合架构得到较高耦合效率的紧凑型微传感探针。为此他们将高品质因子回音壁模式和光纤整合,既利用了回音壁模式增强光与物质相互作用的特性,也实现了与传统光纤的有效集成。该设计的亮点还在于将输入输出接口合并为一个,可以通过同一段光纤向前和向后同时传输光源发射光和调制后的反射信号。

具体来说,实验中用一个纳米光纤尖端作为光散射体,让它靠在微球腔表面。单模光纤通过梯度折射率透镜把激光束聚焦到散射体上,得益于柏塞尔效应(Purcell effect),很大一部分散射后的光被耦合进微球模式,其耦合效率达到了16.8%。特别的,反射信号也是通过类似的耦合通道,光学模式首先被散射体散射,进而被梯度折射率透镜聚焦反向耦合回到单模光纤中。实验表明该耦合系统对各元件之间的相对位置宽容性高,使其成为一项很实用的技术。另外整个耦合系统可视为一种基于光纤的回音壁模式传感微探针,为今后传感/成像应用提供一套紧凑的平台。如:可以整合到医疗内窥镜中准确获取人体内局部温度或压强等信号。


图一 实验装置和散射谱

(A)实验装置图示;

(B)存在散射体(黑)和不存在(红)时的微腔反射光谱;

(C)散射耦合(红)和光纤锥耦合(黑)的微腔光谱比对。

图二 发射光束的三维形貌

图三 反射信号幅度与梯度折射率透镜位置的关系

(A)、(B)、(C)分别是反射信号幅度与梯度折射率透镜在x、y、z三个方向上相对位置的关系。

(D)三个不同x位置的反射谱,与(A)中三个点对应。

图四 反射信号幅度与微球腔及散射体位置的关系

(A) 反射谱峰值随散射体在微球上的位置变化;

(B) 反射谱峰值(黑)和相应的散射体位置(蓝)随微球位置的变化。

(来源:长春中国光学科学技术馆



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