מהי מיקרו-ננו פוטוניקה?

מיקרו-ננו פוטוניקה חוקרת בעיקר את חוק האינטראקציה בין אור וחומר בקנה מידה מיקרו וננו, ואת יישומו ביצירת אור, העברה, ויסות, גילוי וחישה. התקני תת-אורך גל מיקרו-ננו פוטוניקה יכולים לשפר ביעילות את מידת האינטגרציה של פוטונים, וצפוי לשלב התקנים פוטוניים בשבב אופטי קטן כמו שבבים אלקטרוניים. פלסמוניקה של ננו-משטחים היא תחום חדש של מיקרו-ננו פוטוניקה, החוקר בעיקר את האינטראקציה בין אור וחומר בננו-מבנים מתכתיים. יש לו את המאפיינים של גודל קטן, מהירות גבוהה והתגברות על גבול הדיפרקציה המסורתי. מבנה מוליך גל ננו-פלזמה, בעל מאפייני שיפור שדה מקומי טובים וסינון תהודה, הוא הבסיס לננו-פילטר, מרבב חלוקת אורך גל, מתג אופטי, לייזר והתקנים מיקרו-ננו אופטיים אחרים. מיקרו-חללים אופטיים מגבילים את האור לאזורים זעירים ומשפרים מאוד את האינטראקציה בין אור לחומר. לכן, מיקרו-חלל אופטי עם גורם איכות גבוה הוא דרך חשובה לחישה וגילוי בעלי רגישות גבוהה.

מיקרו-חלל WGM

בשנים האחרונות, מיקרו-חלל אופטי משך תשומת לב רבה בשל פוטנציאל היישום הרב שלו וחשיבותו המדעית. המיקרו-חלל האופטי מורכב בעיקר ממיקרו-כדורים, מיקרו-עמודות, מיקרו-טבעות וגיאומטריות אחרות. זהו סוג של מהוד אופטי תלוי מורפולוגיה. גלי אור במיקרו-חללים מוחזרים במלואם בממשק המיקרו-חלל, וכתוצאה מכך נוצר מצב תהודה הנקרא מצב גלריית לחישה (WGM). בהשוואה למהודים אופטיים אחרים, למיקרו-רהודים יש מאפיינים של ערך Q גבוה (גדול מ-106), נפח מצב נמוך, גודל קטן ואינטגרציה קלה וכו', והם יושמו בחישה ביוכימית בעלת רגישות גבוהה, לייזר בעל סף נמוך במיוחד ופעולה לא ליניארית. מטרת המחקר שלנו היא למצוא ולחקור את המאפיינים של מבנים שונים ומורפולוגיות שונות של מיקרו-חללים, וליישם מאפיינים חדשים אלה. כיווני המחקר העיקריים כוללים: מחקר מאפיינים אופטיים של מיקרו-חלל WGM, מחקר ייצור של מיקרו-חלל, מחקר יישומי של מיקרו-חלל ועוד.

חישה ביוכימית של מיקרו-חלל WGM

בניסוי, נעשה שימוש במצב WGM מסדר גבוה מסדר ארבע M1 (איור 1(א)) למדידת חישה. בהשוואה למצב מסדר נמוך, הרגישות של המצב מסדר גבוה שופרה מאוד (איור 1(ב)).

איור 1. אופן התהודה (א) של חלל המיקרו-נימי ורגישות מקדם השבירה המתאימה לו (ב)

מסנן אופטי מתכוונן עם ערך Q גבוה

ראשית, מושכים את המיקרו-חלל הגלילי הרדיאלי המשתנה באיטיות, ולאחר מכן ניתן להשיג כוונון אורך הגל על ​​ידי הזזת מיקום הצימוד באופן מכני בהתבסס על עקרון גודל הצורה מאז אורך הגל התהודה (איור 2 (א)). ביצועי הכוונון ורוחב הפס של הסינון מוצגים באיור 2 (ב) ו-(ג). בנוסף, המכשיר יכול לממש חישת תזוזה אופטית בדיוק של תת-ננומטרי.

איור 2. תרשים סכמטי של מסנן אופטי מתכוונן (א), ביצועים מתכווננים (ב) ורוחב פס של המסנן (ג)

מהוד טיפה מיקרופלואידי של WGM

בשבב המיקרופלואידי, במיוחד עבור הטיפה בשמן (droplet in-oil), בשל מאפייני מתח הפנים, עבור קוטר של עשרות או אפילו מאות מיקרונים, היא תתלה בשמן ותיצור כדור כמעט מושלם. באמצעות אופטימיזציה של מקדם השבירה, הטיפה עצמה הופכת לתהודה כדורית מושלמת עם מקדם איכות של יותר מ-108. זה גם נמנע מבעיית האידוי בשמן. עבור טיפות גדולות יחסית, הן "יישבו" על דפנות הצד העליונות או התחתונות עקב הבדלי צפיפות. טיפה מסוג זה יכולה להשתמש רק במצב עירור רוחבי.