Implementering av et referanse Interferometer for Nanodetection
Summary
En referanse interferometer teknikk, som er konstruert for å fjerne uønsket laser jitter for nanodetection, utnyttes for sondering en ultra-høy kvalitetsfaktor microcavity. Instruksjoner for montering, oppsett, og datainnsamling er gitt, sammen med prosessmåling for å spesifisere hulrom kvalitetsfaktor.
Abstract
En termisk og mekanisk stabilisert fiberinterferometer egnet for å undersøke ultra-høy kvalitetsfaktor microcavities er formet. Etter å ha vurdert den frie spektrale området (FSR), er modulen settes i parallell med en fiber konus-microcavity systemet og deretter kalibrert ved å isolere og å eliminere tilfeldige endringer i laserfrekvensen (dvs. laser jitter). For å realisere den koniske-microcavity knutepunkt og for å maksimere den optiske energien som blir overført til resonatoren, er en enkelt-modus optisk fiberbølgeleder trekkes. Løsninger inneholdende polystyren nanobeads blir deretter preparert og fløyet til microcavity for å demonstrere systemets evne til å sanse binding til overflaten av microcavity. Data er post-prosessert via adaptive kurvetilpasning, noe som gjør det mulig for høyoppløselige målinger av kvaliteten faktor samt plotting av tidsavhengige parametere, slik som resonans bølgelengde og delt frekvens skift. Ved å nøyeinspeksjon av trinnene i tidsdomeneresponsen og giring i frekvens-domenet respons, kan dette instrument kvantifisere adskilte bindingsbegivenheter.
Introduction
Forskningsinteresse har økt betydelig på bruk av hviske-gallery-modus (WGM) microcavities i den hensikt å nanodetection og biosensing 1-8. Dette innebærer meget kvalitetsfaktor (Q) optiske hulrom som er dyktige i å identifisere ørsmå biologiske partikler, ned til enkelt protein nivå to. Det vil si, overvåke endringer i resonans og delt frekvens for overføring med ekstraordinær følsomhet 9-11 kan aktiveres av hulrommet er innesperring av lys energi innenfor en liten modus volum. Variasjoner i de optiske egenskapene til en resonator som er årsaken til disse forskyvninger, som igjen stammer fra binding av adskilte molekyler eller nanopartikler. En mindre sofistikerte eksempel på en tre-dimensjonal WGM struktur for slike anvendelser er en silikamikrokule, som kan fremstilles med en i nærheten av atomically glatt overflate ved ganske enkelt å ablating en trukne optisk fiber ved hjelp av en CO2-laser. Som kjenthøye Q-faktorer på størrelsesorden 10 9 kan oppnås en.
Den resonante frekvensen til en microcavity blir konvensjonelt overvåket ved å skanne den optiske frekvensen til en avstembar laserkilde, samtidig som foto-detektering av optisk overføring som fanges på et oscilloskop. En iboende ulempen med denne teknikken er det usikkerhet knyttet til plasseringen av dråper i overføringen som oppstår fra varierende laser bølgelengde eller laser jitter. For å overvinne denne komplikasjon, kan et interferometer anvendes sammen med en microcavity å produsere et referansesignal for å avbryte den laser jitter og øke følsomheten observert to. Svak inngang er delt i to optiske baner: referansestrålen som passerer gjennom interferometeret (med et fritt spektralområde eller FSR stor nok til å hindre at laseren fra jittering forbi en FSR frekvens avstand under målingen) og deteksjons strålen som interacts med WGM microresonator. Denne funksjonen effektiviserer eksperimenter i forhold til mer avanserte konfigurasjoner, som for eksempel at av WGM sensing som innebærer en kombinasjon av et distribuert tilbakemeldinger laser (DFB) og periodisk polet litium niobate (PPLN) dobbler 12. I denne publikasjonen er et interferometer teknikk for ultra-høy kvalitetsfaktor microcavity basert overvåking av nanoskala saken beskrevet tre. Oppsett og datainnsamling prosedyrer som er nødvendige for å oppnå dette er skissert, illustrerer hvordan hulrom kvalitetsfaktor kan bestemmes gjennom henvisning interferometri.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne nåværende oppsett er i stand til sondering en rekke WGM microcavities, for eksempel microdisks, sfærer, og microtoroids, uten å kreve noen tilbakemeldinger kontroll for sonden laserkilden. En betydelig signal-til-støy-forhold (SNR) for deteksjon kan oppnås på grunn av den trinnskift forbedringer som leveres av banelengden, og partikkel-fremkalt tilbakespredning effekter. På grunn av enkelhet og lav kostnad av referansen interferometer i seg selv, er denne metoden en effektiv teknikk for å studere eller ut…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne ønsker å takke Xuan Du for å konstruere den skisserte i figur 1. Dette arbeidet ble finansiert med tilskudd fra Natural Science and Engineering Research Council (NSERC) i 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).
