Quang học vi mô-nano là gì?

Quang học vi mô-nano chủ yếu nghiên cứu quy luật tương tác giữa ánh sáng và vật chất ở quy mô vi mô và nano, cũng như ứng dụng của nó trong việc tạo ra, truyền dẫn, điều chỉnh, phát hiện và cảm biến ánh sáng. Các thiết bị quang học vi mô-nano dưới bước sóng có thể cải thiện hiệu quả mức độ tích hợp photon, và được kỳ vọng sẽ tích hợp các thiết bị quang học vào một chip quang học nhỏ như chip điện tử. Quang học plasmon bề mặt nano là một lĩnh vực mới của quang học vi mô-nano, chủ yếu nghiên cứu sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất trong cấu trúc nano kim loại. Nó có đặc điểm kích thước nhỏ, tốc độ cao và khắc phục được giới hạn nhiễu xạ truyền thống. Cấu trúc ống dẫn sóng nanoplasma, có đặc tính tăng cường trường cục bộ và lọc cộng hưởng tốt, là cơ sở của bộ lọc nano, bộ ghép kênh phân chia bước sóng, công tắc quang học, laser và các thiết bị quang học vi mô-nano khác. Các vi khoang quang học giam giữ ánh sáng trong các vùng nhỏ và tăng cường đáng kể sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất. Do đó, vi khoang quang học với hệ số chất lượng cao là một phương pháp quan trọng để cảm biến và phát hiện độ nhạy cao.

Vi khoang WGM

Trong những năm gần đây, vi khoang quang học đã thu hút nhiều sự chú ý do tiềm năng ứng dụng to lớn và ý nghĩa khoa học của nó. Vi khoang quang học chủ yếu bao gồm các hình dạng như vi cầu, vi cột, vi vòng và các hình dạng khác. Nó là một loại bộ cộng hưởng quang học phụ thuộc vào hình thái. Sóng ánh sáng trong vi khoang được phản xạ hoàn toàn tại giao diện của vi khoang, tạo ra một chế độ cộng hưởng được gọi là chế độ phòng thì thầm (WGM). So với các bộ cộng hưởng quang học khác, bộ cộng hưởng vi mô có đặc điểm là giá trị Q cao (lớn hơn 106), thể tích chế độ thấp, kích thước nhỏ và dễ tích hợp, v.v., và đã được ứng dụng trong cảm biến sinh hóa độ nhạy cao, laser ngưỡng cực thấp và tác động phi tuyến tính. Mục tiêu nghiên cứu của chúng tôi là tìm kiếm và nghiên cứu các đặc điểm của các cấu trúc và hình thái khác nhau của vi khoang, và ứng dụng các đặc điểm mới này. Các hướng nghiên cứu chính bao gồm: nghiên cứu đặc tính quang học của vi khoang WGM, nghiên cứu chế tạo vi khoang, nghiên cứu ứng dụng của vi khoang, v.v.

cảm biến sinh hóa vi khoang WGM

Trong thí nghiệm, chế độ WGM bậc cao bốn cấp M1 (Hình 1(a)) được sử dụng để đo cảm biến. So với chế độ bậc thấp, độ nhạy của chế độ bậc cao đã được cải thiện đáng kể (Hình 1(b)).

Hình 1. Chế độ cộng hưởng (a) của khoang mao dẫn siêu nhỏ và độ nhạy chỉ số khúc xạ tương ứng (b)

Bộ lọc quang học có thể điều chỉnh với giá trị Q cao

Đầu tiên, khoang vi mô hình trụ thay đổi chậm theo hướng xuyên tâm được kéo ra, sau đó việc điều chỉnh bước sóng có thể đạt được bằng cách di chuyển vị trí ghép nối một cách cơ học dựa trên nguyên lý kích thước hình dạng do bước sóng cộng hưởng (Hình 2 (a)). Hiệu suất điều chỉnh và băng thông lọc được thể hiện trong Hình 2 (b) và (c). Ngoài ra, thiết bị có thể thực hiện cảm biến dịch chuyển quang học với độ chính xác dưới nanomet.

Hình 2. Sơ đồ cấu tạo của bộ lọc quang có thể điều chỉnh (a), hiệu suất điều chỉnh (b) và băng thông của bộ lọc (c)

bộ cộng hưởng giọt vi lỏng WGM

Trong chip vi lưu, đặc biệt là đối với giọt chất lỏng trong dầu (droplet in-oil), do đặc tính của sức căng bề mặt, với đường kính vài chục hoặc thậm chí vài trăm micromet, nó sẽ lơ lửng trong dầu, tạo thành một hình cầu gần như hoàn hảo. Thông qua việc tối ưu hóa chỉ số khúc xạ, bản thân giọt chất lỏng là một bộ cộng hưởng hình cầu hoàn hảo với hệ số chất lượng hơn 108. Điều này cũng tránh được vấn đề bay hơi trong dầu. Đối với các giọt chất lỏng tương đối lớn, chúng sẽ "nằm" trên thành bên trên hoặc dưới do sự khác biệt về mật độ. Loại giọt chất lỏng này chỉ có thể sử dụng chế độ kích thích bên.