Реализация Reference интерферометр для Nanodetection
Summary
Методика интерферометр ссылка, которая предназначена для удаления нежелательного шума лазера джиттера для nanodetection, используется для зондирования фактор микрополость ультра-высокого качества. Инструкции по сборке, настройке и сбора данных предоставляются, наряду процесса измерения для определения добротности резонатора.
Abstract
Термически и механически стабилизированного волокна интерферометр подходит для изучения микрорезонаторов фактора ультра-высокого качества вырабатывается. После оценки его бесплатно спектральный диапазон (FSR), модуль ставится параллельно с волоконно системы Конус-микрорезонатора а затем калибруется через изоляцию и устранение случайных сдвигов в частоте лазера (то есть лазера шума джиттера). Для реализации Конус-микрорезонаторе переход и максимизировать оптической мощности, которая передается в резонатор, одномодового оптического волокна волновода тянут. Растворы, содержащие полистирольные nanobeads затем получают и доставлен в микрорезонатора того, чтобы продемонстрировать способность системы ощущать привязки к поверхности микрорезонатора. Данные после обработки с помощью адаптивной аппроксимации кривой, что позволяет для измерений с высокой разрешающей способностью добротности, а также заговор зависящих от времени параметров, таких как резонансная длина волны и раскол сдвигов частоты. Тщательнопроверки шаги в ответ временной области и переход в ответ частотной области, этот инструмент может количественно дискретные обязательные мероприятия.
Introduction
Научные интересы значительно возросла по использованию шепчущей галереи режиме (WGM) микрорезонаторах с целью nanodetection и биодатчиков 1-8. Это включает в себя ультра-высокой добротности (Q) оптических резонаторов, которые владеют в выявлении незначительный биологические частицы, вплоть до уровня одного белка 2. То есть, мониторинг изменений в резонансе и сплит частоты для передачи с необычайной чувствительности 9-11 можно включить заключения резонатора световой энергии в малом объеме режима. Вариации оптических свойств резонатора являются причиной этих сдвигов, которые в свою очередь происходят из связывание дискретных молекул или наночастиц. Менее сложный пример трехмерной структуры WGM для таких приложений является кремнезем микросфер, которые могут быть изготовлены с почти атомарно гладкой поверхности, просто абляции обнаженным оптического волокна с помощью СО 2-лазера. Как известно,высокие добротности на порядка 10 9 может быть достигнута 1.
Резонансная частота микрополости традиционно контролировать путем сканирования оптической частоты перестраиваемого лазерного источника одновременно фото-детектирования оптической передачи, снятое на осциллографе. Неотъемлемой недостатком этого метода является неопределенность, связанная с расположением капель в передаче, которая возникает от колебания длины волны лазерного излучения или лазерный дрожание. Чтобы преодолеть это осложнение, интерферометр можно использовать наряду с микрорезонаторе для получения опорного сигнала для отмены лазерный дрожание и увеличить наблюдаемую чувствительность 2. Свет ввод разделяется на два оптических путей: опорный пучок, который проходит через интерферометр (со свободной области спектра или достаточно большой, чтобы предотвратить дрожание лазера от расстояния мимо одной частоте во время измерения FSR FSR) и луча обнаружения, что Interacts с микрорезонатора WGM. Эта функция упрощает эксперименты в сравнении с более продвинутых конфигураций, таких как, что из WGM зондирования, влекущие за собой сочетание лазера с распределенной обратной связью (DFB) и регулярной доменной ниобата лития (PPLN) дублер 12. В этой публикации, техника интерферометр для ультра-высокого качества фактором микрорезонатор основе мониторинга наноразмерных вопросу описывается 3. Процедуры установки и сбора данных, которые необходимы для достижения этой цели изложены, иллюстрирующий, как добротность резонатора можно определить через отсчета интерферометрии.
Protocol
Representative Results
Discussion
Это в настоящее время установка способна зондирования разнообразные WGM микрорезонаторах, таких как microdisks, микросферы и microtoroids, не требуя никакого управления с обратной связью для зонда лазерного источника. Значительное отношение сигнал-шум (SNR) для обнаружения может быть получена за с?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы поблагодарить Суан Du построения концептуальную диаграмму рисунке 1. Эта работа финансировалась за счет грантов от естествознания и техники Научно-исследовательский совет (NSERC) Канады.
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).
