La micro-nanofotonica studia principalmente la legge di interazione tra luce e materia su scala micro e nanometrica e la sua applicazione nella generazione, trasmissione, regolazione, rilevazione e telerilevamento della luce. I dispositivi micro-nanofotonici sub-lunghezza d'onda possono migliorare efficacemente il grado di integrazione dei fotoni e si prevede che integreranno i dispositivi fotonici in un piccolo chip ottico simile ai chip elettronici. La nanoplasmonica di superficie è un nuovo campo della micro-nanofotonica, che studia principalmente l'interazione tra luce e materia in nanostrutture metalliche. Presenta le caratteristiche di dimensioni ridotte, alta velocità e superamento del tradizionale limite di diffrazione. La struttura a guida d'onda a nanoplasma, che presenta buone caratteristiche di potenziamento del campo locale e filtraggio della risonanza, è alla base di nanofiltri, multiplexer a divisione di lunghezza d'onda, interruttori ottici, laser e altri dispositivi micro-nano-ottici. Le microcavità ottiche confinano la luce in regioni minuscole e migliorano notevolmente l'interazione tra luce e materia. Pertanto, la microcavità ottica con elevato fattore di qualità è un metodo importante per il rilevamento e la rivelazione ad alta sensibilità.
Microcavità WGM
Negli ultimi anni, la microcavità ottica ha attirato molta attenzione grazie al suo grande potenziale applicativo e alla sua importanza scientifica. La microcavità ottica è costituita principalmente da microsfere, microcolonne, microanelli e altre geometrie. Si tratta di un tipo di risonatore ottico morfologicamente dipendente. Le onde luminose nelle microcavità vengono completamente riflesse all'interfaccia della microcavità, dando origine a una modalità di risonanza chiamata modalità "Whispering Gallery" (WGM). Rispetto ad altri risonatori ottici, i microrisonatori presentano le seguenti caratteristiche: elevato valore Q (superiore a 106), basso volume modale, dimensioni ridotte e facile integrazione, ecc., e sono stati applicati alla rilevazione biochimica ad alta sensibilità, ai laser a soglia ultra bassa e all'azione non lineare. Il nostro obiettivo di ricerca è individuare e studiare le caratteristiche di diverse strutture e diverse morfologie di microcavità e applicare queste nuove caratteristiche. Le principali direzioni di ricerca includono: ricerca sulle caratteristiche ottiche della microcavità WGM, ricerca sulla fabbricazione di microcavità, ricerca applicativa di microcavità, ecc.
Rilevamento biochimico delle microcavità WGM
Nell'esperimento, per la misurazione della sensibilità è stata utilizzata la modalità WGM di ordine superiore a quattro ordini M1 (FIG. 1(a)) . Rispetto alla modalità di ordine inferiore, la sensibilità della modalità di ordine superiore è risultata notevolmente migliorata (FIG. 1(b)).
Figura 1. Modalità di risonanza (a) della cavità microcapillare e corrispondente sensibilità dell'indice di rifrazione (b)
Filtro ottico sintonizzabile con elevato valore Q
Innanzitutto, la microcavità cilindrica radiale che varia lentamente viene estratta, quindi la regolazione della lunghezza d'onda può essere ottenuta spostando meccanicamente la posizione di accoppiamento in base al principio della dimensione della forma a partire dalla lunghezza d'onda di risonanza (Figura 2 (a)). Le prestazioni sintonizzabili e la larghezza di banda di filtraggio sono illustrate nelle Figure 2 (b) e (c). Inoltre, il dispositivo può realizzare il rilevamento ottico dello spostamento con precisione sub-nanometrica.
Figura 2. Diagramma schematico del filtro ottico sintonizzabile (a), prestazioni sintonizzabili (b) e larghezza di banda del filtro (c)
Risonatore a goccia microfluidico WGM
Nel chip microfluidico, in particolare per le goccioline nell'olio (gocce nell'olio), grazie alle caratteristiche della tensione superficiale, con un diametro di decine o addirittura centinaia di micron, la gocciolina stessa rimane sospesa nell'olio, formando una sfera pressoché perfetta. Grazie all'ottimizzazione dell'indice di rifrazione, la gocciolina stessa è un risonatore sferico perfetto con un fattore di qualità superiore a 108. Inoltre, si evita il problema dell'evaporazione nell'olio. Le goccioline relativamente grandi, a causa delle differenze di densità, "si adagiano" sulle pareti laterali superiori o inferiori. Questo tipo di gocciolina può utilizzare solo la modalità di eccitazione laterale.
Data di pubblicazione: 23 ottobre 2023