יישום של אינטרפרומטר הפניה לNanodetection
Summary
טכניקת התייחסות אינטרפרומטר, שנועד להסיר רעש להתעצבן לייזר רצוי לnanodetection, הוא מנוצל לחיטוט microcavity גורם איכות גבוהה במיוחד. הוראות להרכבה, התקנה, ורכישת נתונים מסופקות, לצד תהליך המדידה לציון גורם איכות החלל.
Abstract
אינטרפרומטר סיבים התייצב תרמית ומכאנית המתאימים לבחינת microcavities גורם איכות גבוהה במיוחד מעוצב. לאחר הערכת טווח הספקטרום שלה בחינם (FSR), מודול הוא לשים במקביל למערכת להתחדד-microcavity סיבים ולאחר מכן מכויל באמצעות בידוד וביטול משמרות אקראיות בתדר הלייזר (כלומר רעש להתעצבן לייזר). על מנת לממש את הצומת להתחדד-microcavity ועל מנת למקסם את הכוח האופטי שמועבר למהוד, מוליך גל סיבים אופטיים במצב יחיד הוא משך. פתרונות המכילים nanobeads קלקר לאחר מכן הכינו והוטסו לmicrocavity כדי להפגין את יכולתה של המערכת לחוש מחייב את פני השטח של microcavity. הנתונים הוא שלאחר עיבוד באמצעות עקומת הסתגלות מתאימה, המאפשרת למדידות ברזולוציה גבוהה של גורם האיכות, כמו גם ההתוויה של פרמטרים תלויי זמן, כגון משמרות גל תהודה ותדר מפוצל. על ידי זהירותבדיקת צעדים בתגובת תחום בזמן ומשתנה בתדירות תגובת תחום, מכשיר זה יכול לכמת אירועים המחייבים בדידים.
Introduction
עניין למחקר עלה באופן משמעותי בשימוש במצב microcavities (WGM) לחישות גלריה לצורך nanodetection וbiosensing 1-8. זה כרוך בגורם גבוה במיוחד איכות (Q) חללים אופטיים שהם בקיאים בזיהוי חלקיקים ביולוגיים זעירים, עד לרמה חד חלבון 2. כלומר, ניטור שינויים בתהודה ותדר פיצול לשידור עם רגישות יוצאת דופן 9-11 יכול להיות מופעל על ידי כליאתו של החלל של אנרגיית אור בתוך מצב נפח קטן. שינויים בתכונות אופטיות של מהוד הם הסיבה למשמרות אלה, אשר בתורו מקורן המחייבים של מולקולות או חלקיקים בדידים. דוגמא פחות מתוחכמת של מבנה WGM תלת ממדי עבור יישומים כגון היא microsphere סיליקה, שיכול להיות מפוברק עם משטח אטומי חלק ליד פשוט על ידי ablating סיבים אופטיים נמשכים באמצעות לייזר CO 2. כידוע,ניתן להשיג Q-גורמים גבוהים על סדר 10 9 1.
תדר התהודה של microcavity מנוטר באופן קונבנציונלי על ידי סריקת התדרים אופטיים של מקור לייזר מתכונן ובמקביל תמונה לזיהוי השידור האופטי, כי הוא נתפס על אוסצילוסקופ. חסרון מהותי של שיטה זו הוא חוסר הוודאות כרוך במיקום של טיפות בשידור שנובע מתנודות באורך גל לייזר או להתעצבן לייזר. כדי להתגבר על סיבוך זה, אינטרפרומטר יכול לשמש לצד microcavity לייצר אות התייחסות לביטול ריצוד הלייזר ולהגדיל את הרגישות שנצפתה 2. קלט אור מחולק לשני נתיבים אופטיים: אלומת ההתייחסות שעוברת דרך אינטרפרומטר (עם מגוון חופשי רפאים או FSR גדול מספיק כדי למנוע את הלייזר ממנו רועד במרווח אחד תדירות FSR עבר בזמן מדידה) וקרן הגילוי כי interacts עם microresonator WGM. תכונה זו מייעלת את ניסויים בהשוואה לתצורות מתקדמות יותר, כגון זה של חישת WGM הכרוך שילוב של לייזר מופץ משוב (DFB) וniobate נדחף במוט מעת לעת ליתיום (PPLN) מכפיל 12. בפרסום זה, טכניקת אינטרפרומטר לניטור של חומר ננו מבוסס microcavity גורם איכות גבוהה במיוחד מתוארת 3. ההתקנה ורכישת נתונים הנהלים הנדרשים כדי להשיג את זה מפורטים, המדגימים כיצד ניתן לקבוע גורם איכות החלל באמצעות אינטרפרומטריה התייחסות.
Protocol
Representative Results
Discussion
ההגדרה הנוכחית היא מסוגלת לחקור מגוון של microcavities WGM, כגון microdisks, זעירים, וmicrotoroids, ללא צורך בבקרת משוב למקור לייזר הבדיקה. יחס ניכר אות לרעש (SNR) לצורך זיהוי ניתן להשיג בשל שיפורי משמרת צעד הניתנים על ידי אורך דרך ואפקטי backscattering-Induced חלקיקים. בהתחשב בפשטות והעלות הנמוכה ש?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מבקשים להודות לסואן Du לבניית התרשים הרעיוני של איור 1. עבודה זו מומנה על ידי מענקים ממדעי הטבע והנדסת מועצת מחקר (NSERC) של קנדה.
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).
