La micro-nano fotonica studia principalmente le leggi di interazione tra luce e materia su scala micro e nano e le sue applicazioni nella generazione, trasmissione, regolazione, rilevamento e percettrone della luce. I dispositivi sub-lunghezza d'onda della micro-nano fotonica possono migliorare efficacemente il grado di integrazione dei fotoni e si prevede che integreranno i dispositivi fotonici in piccoli chip ottici, analogamente ai chip elettronici. La plasmonica di nanosuperficie è un nuovo campo della micro-nano fotonica, che studia principalmente l'interazione tra luce e materia nelle nanostrutture metalliche. Presenta caratteristiche quali dimensioni ridotte, alta velocità e superamento del tradizionale limite di diffrazione. La struttura a nano-guida d'onda al plasma, che possiede buone caratteristiche di potenziamento del campo locale e di filtraggio a risonanza, è alla base di nanofiltri, multiplexer a divisione di lunghezza d'onda, interruttori ottici, laser e altri dispositivi ottici micro-nano. Le microcavità ottiche confinano la luce in regioni minuscole e migliorano notevolmente l'interazione tra luce e materia. Pertanto, le microcavità ottiche con un elevato fattore di qualità rappresentano un metodo importante per il rilevamento e la percettrone ad alta sensibilità.
microcavità WGM
Negli ultimi anni, le microcavità ottiche hanno suscitato grande interesse per il loro elevato potenziale applicativo e la loro importanza scientifica. Le microcavità ottiche sono costituite principalmente da microsfere, microcolonne, microanelli e altre geometrie. Si tratta di risonatori ottici dipendenti dalla morfologia. Le onde luminose all'interno delle microcavità vengono riflesse completamente all'interfaccia, dando luogo a una modalità di risonanza chiamata modalità a galleria di sussurri (WGM). Rispetto ad altri risonatori ottici, i microrisonatori presentano caratteristiche quali un elevato fattore di qualità (Q) (superiore a 10⁶), un basso volume modale, dimensioni ridotte e facilità di integrazione, e sono stati applicati al rilevamento biochimico ad alta sensibilità, ai laser a soglia ultra-bassa e all'azione non lineare. Il nostro obiettivo di ricerca è quello di individuare e studiare le caratteristiche di diverse strutture e morfologie di microcavità e di applicare queste nuove caratteristiche. Le principali direzioni di ricerca includono: studio delle caratteristiche ottiche delle microcavità WGM, ricerca sulla fabbricazione delle microcavità, ricerca sulle applicazioni delle microcavità, ecc.
Rilevamento biochimico tramite microcavità WGM
Nell'esperimento, per la misurazione del rilevamento è stata utilizzata la modalità WGM di ordine superiore 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. Modo di risonanza (a) della cavità microcapillare e relativa sensibilità all'indice di rifrazione (b)
Filtro ottico sintonizzabile con elevato valore Q
Innanzitutto, la microcavità cilindrica a variazione lenta radiale viene estratta, e quindi la sintonizzazione 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 di sintonizzazione e la larghezza di banda di filtraggio sono mostrate nelle Figure 2 (b) e (c). Inoltre, il dispositivo può realizzare il rilevamento dello spostamento ottico con una precisione sub-nanometrica.
Figura 2. Schema di un 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 gocce immerse nell'olio (gocce in olio), grazie alle caratteristiche della tensione superficiale, per diametri di decine o addirittura centinaia di micron, queste rimangono sospese nell'olio, formando una sfera pressoché perfetta. Grazie all'ottimizzazione dell'indice di rifrazione, la goccia stessa si comporta come un risonatore sferico perfetto con un fattore di qualità superiore a 108. Ciò evita anche il problema dell'evaporazione nell'olio. Per gocce relativamente grandi, queste tenderanno ad "aderire" sulle pareti laterali superiori o inferiori a causa delle differenze di densità. Questo tipo di goccia può essere gestito solo tramite eccitazione laterale.
Data di pubblicazione: 23 ottobre 2023