Implementatie van een Reference Interferometer voor NanoDetection
Summary
Een verwijzing interferometer techniek, die is ontworpen om ongewenste laser jitterruis voor NanoDetection verwijderen, wordt gebruikt voor het sonderen van een ultra-hoge kwaliteit factor microcavity. Aanwijzingen voor de montage, installatie, en data-acquisitie worden verstrekt, naast het meetproces voor het opgeven van de holte kwaliteitsfactor.
Abstract
Een thermisch en mechanisch gestabiliseerde fiber interferometer geschikt voor de behandeling van ultra-hoge kwaliteit factor microcavities wordt gevormd. Na de beoordeling van de vrije spectrale bereik (FSR), wordt de module gezet parallel met een fiber conus-microcavity systeem en vervolgens gekalibreerd door middel van isoleren en elimineren willekeurige verschuivingen in de laser frequentie (dwz laser jitterruis). De taps microcavity junctie te realiseren en optische vermogen dat wordt overgedragen aan de resonator te maximaliseren, is een single-mode optische vezel golfgeleider getrokken. Oplossingen bevattende polystyreen nanobeads worden vervolgens bereid en gevlogen de microcavity om de capaciteit van het systeem te voelen binding aan het oppervlak van de microholte tonen. Data is naverwerkt via aanpassende curve fitting, waardoor voor hoge resolutie metingen van de kwaliteitsfactor en het plotten van tijdafhankelijke parameters, zoals resonante golflengte en split frequentieverschuivingen. Door het zorgvuldiginspectie stappen in het tijdsdomein respons en verschuiven in de frequentiedomein response kan dit instrument kwantificeren discrete bindingsgebeurtenissen.
Introduction
Onderzoek rente is aanzienlijk gestegen op het gebruik van fluisterende-gallery mode (WGM) microcavities voor het doel van NanoDetection en biosensoren 1-8. Dit houdt in ultra-hoge kwaliteit (Q) optische holtes die bedreven zijn in het identificeren van minuscule biologische deeltjes, tot de single-eiwit niveau 2 zijn. Dat wil zeggen, het toezicht op verschuivingen in resonantie en split frequentie voor transmissie met buitengewone gevoeligheid 9-11 kan worden geactiveerd door opsluiting van licht-energie de holte binnen een kleine modus volume. Variaties in de optische eigenschappen van een resonator zijn de oorzaak van deze verschuivingen, die op zijn beurt afkomstig uit de binding van afzonderlijke moleculen of nanodeeltjes. Een minder verfijnde voorbeeld van een driedimensionale structuur WGM voor dergelijke toepassingen een silica microsfeer, die kan worden vervaardigd met een nabij atomair glad oppervlak door simpelweg een ablatie getrokken optische vezel met een CO2 laser. Zoals bekend,hoge Q-factoren in de orde van 10 9 kan worden bereikt 1.
De resonantiefrequentie van een microholte wordt gewoonlijk gevolgd door het scannen van de optische frequentie van een afstembare laser bron tegelijkertijd foto-detectie van de optische transmissie die is vastgelegd op een oscilloscoop. Een inherent nadeel van deze techniek is de onzekerheid in verband met de locatie van druppels in de transmissie die voortkomt uit fluctuerende lasergolflengte of laser jitter. Om deze complicatie te overwinnen, kan een interferometer gebruikt worden naast een microcavity een referentiesignaal aan de laser jitter annuleren en verhoging van de gevoeligheid waargenomen 2 produceren. Lichtinvoeroppervlak bestaat uit twee optische banen: de referentiebundel dat door de interferometer (met een vrij spectraal bereik of FSR groot genoeg om te voorkomen dat de laser vanaf jittering langs een FSR frequentie-afstand tijdens de meting) en de detectie balk int passeerteracts met de WGM microresonator. Deze functie stroomlijnt experimenten in vergelijking met meer geavanceerde configuraties, zoals die van WGM sensing meebrengt de combinatie van een laser met verdeelde terugkoppeling (DFB) periodiek gepoolde lithiumniobaat (PPLN) verdubbelaar 12. In deze publicatie wordt een interferometer techniek voor ultra-hoge kwaliteit factor microcavity gebaseerde controle van nanoschaal materie beschreven 3. De setup en data-acquisitie procedures die nodig zijn om dit te bereiken worden beschreven, illustreren hoe holte kwaliteit factor kan worden bepaald door middel van verwijzing interferometrie.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit huidige opstelling is in staat sonderen een verscheidenheid van WGM microcavities, zoals diskettes, microsferen, en microtoroids, zonder enige terugkoppeling voor de sonde laserbron. Een aanzienlijk signaal-ruisverhouding (SNR) voor detectie kan worden verkregen door de stappen plaatsvinden verbeteringen door weglengte en deeltjes geïnduceerde terugverstrooiing effecten. Gezien de eenvoud en lage kosten van de referentie interferometer zelf deze werkwijze een efficiënte techniek voor het bestuderen of winnen de ei…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen graag Xuan Du bedanken voor de bouw van het conceptuele schema van Figuur 1. Dit werk werd gefinancierd door subsidies van de Natural Science and Engineering Research Council (NSERC) van Canada.
Materials
| Polystyrene Microspheres | PolyScience | ||
| Dulbecco’s Phosphate Buffered Saline (DPBS) | Life Technologies | 14190 | |
| Piezoelectric Nanopositioner System | Precision Instrument | P-611.3S | |
| Balanced Photodetector | Thorlabs | PDB120A | |
| Photo Detector | Newport | 1801-FC | |
| 2 x 3-dB Fiber Optical Directional Coupler | Thorlabs | FC632-50B | |
| 10-dB Fiber Optical Directional Coupler | Thorlabs | FC632-90B | |
| 2 x Drop In Polarization Controller | General Photonics | PLC-003-S-25 | |
| Function Generator | Hewlett Packard | 33120A | |
| Fusion Splicer | Ericsson | FSU-925 | |
| High-Speed Oscilloscope | Agilent | DS09404A | |
| 2 x Motorized Translation Stage with Controller | Thorlabs | MTS25-Z8E | |
| Single Mode Optical Fiber, 600-800 nm, Ø125 μm Cladding | Thorlabs | SM600 | |
| Real-Time Electrical Spectrum Analyzer | Tektronix | RSA3408B | |
| Optical Spectrum Analyzer | Agilent | 70951A | |
| 632.5 – 637 nm Tunable Laser | New Focus | TLB-6304 | |
| Filtration Pump | KNF labs | ||
| Ultrasonics Cleaner | Crest Ultrasonics | Powersonic 1100D | |
| Mini Vortexer | VWR | VM-3000 | |
| Centrifuge | Beckman Coulter | Microfuge 22R |
References
- Vahala, K. J. Optical microcavities. Nature. 424 (6950), 839-846 (2003).
- Lu, T., et al. High sensitivity nanoparticle detection using optical microcavities. PNAS. 108 (15), 5976-5979 (2011).
- Vollmer, F., Arnold, S. Whispering-gallery-mode biosensing: label-free detection down to single molecules. Nat. Methods. 5 (7), 591-596 (2008).
- Vollmer, F., Braun, D., Libchaber, A., Khoshsima, M., Teraoka, I., Arnold, S. Protein detection by optical shift of a resonant microcavity. Appl. Phys. Lett. 80 (21), 4057-4059 (2002).
- Sun, Y., Fan, X. Optical ring resonators for biochemical and chemical sensing. Anal. Bioanal. Chem. 399 (1), 205-211 (2011).
- Shopova, S. I., Rajmangal, R., Nishida, Y., Arnold, S. Ultrasensitive nanoparticle detection using a portable whispering gallery mode biosensor driven by a periodically poled lithium-niobate frequency doubled distributed feedback laser. Rev. Sci. Instrum. 81 (10), 103-110 (2010).
- Santiago-Cordoba, M. A., Boriskina, S. V., Vollmer, F., Demirel, M. C. Nanoparticle-based protein detection by optical shift of a resonant microcavity. Appl. Phys. Lett. 99 (7), 073701 (2011).
- Swaim, J. D., Knittel, J., Bowen, W. P. Detection limits in whispering gallery biosensors with plasmonic enhancement. Appl. Phys. Lett. 99 (24), 243109 (2011).
- Gorodetsky, M. L., Pryamikov, A. D., Ilchenko, V. S. Rayleigh scattering in high-Q microspheres. J. Opt. Soc. Am. B. 17 (6), 1051-1057 (2000).
- Lu, T., Su, J., Fraser, S., Vahala, K. J. Split frequency sensing methods and systems. Patent granted on. , (2013).
- Zhu, J., et al. On-chip single nanoparticle detection and sizing by mode splitting in an ultrahigh-Q microresonator. Nat. Photonics. 4 (1), 46-49 (2010).
- Shopova, S. I., Rajmangal, R., Nishida, Y., Arnold, S. Ultrasensitive nanoparticle using a portable whispering gallery mode biosensor driven by a periodically poled lithium-niobate frequency doubled distributed feedback laser. Rev. Sci. Instrum. 81 (10), (2010).
- Cai, M., Painter, O., Vahala, K. J. Observation of critical coupling in a fiber taper to a silica-microsphere whispering-gallery mode system. Phys. Rev. Lett. 85 (1), 74-77 (2000).
- Li, J., Lee, H., Yang, K. Y., Vahala, K. J. Sideband spectroscopy and dispersion measurement in microcavities. Opt. Express. 20 (24), 26337-26344 (2012).
- Chow, J. H., et al. Critical coupling control of a microresonator by laser amplitude modulation. Opt Express. 20 (11), 12622-12630 (2012).
- Swaim, J. D., Knittel, J., Bowen, W. P. Detection of nanoparticles with a frequency locked whispering gallery mode microresonator. Appl. Phys. Lett. 102 (18), (2013).
- Knittel, J., Chow, J. H., Gray, M. B., Taylor, M. A., Bowen, W. P. Ultrasensitive real-time measurement of dissipation and dispersion in a whispering-gallery mode microresonator. Opt. Lett. 38 (11), 1915-1917 (2013).
- Shopova, S. I., Rajmangal, R., Holler, S., Arnold, S. Plasmonic enhancement of a whispering-gallery-mode biosensor for single nanoparticle detection. Appl. Phys. Lett. 98 (24), (2011).
- Santiago-Cordoba, M. A., Boriskina, S. V., Vollmer, F., Demirel, M. C. Nanoparticle-based protein detection by optical shift of a resonant microcavity. Appl. Phys. Lett. 99 (7), (2011).
