迴音壁模式光學探針—推動微腔感測走向實用的新突破

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導讀

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近日，美國聖路易斯華盛頓大學的楊蘭教授研究組，開發了一種迴音壁模式光纖探針，該探針有望實現複雜環境下超高靈敏度感測應用。該研究以「A scatterer-assisted whispering-gallery-mode microprobe」為題，發表在2018年第8期的《Nanophotonics》期刊上。

背景介紹

上世紀末以來，由於迴音壁模式光學微腔擁有極高的品質因子，可以將光子長時間局域於極小腔體內，因此極大地增強了共振光與外界物質的相互作用強度，可用於超高靈敏度的光學感測器件，例如，目前已經實現了對單個離子的有效檢測。不僅如此，它的感測對象也很廣泛，如：生化反應、溫度、振動、電/磁場等。

在各種感測應用中，光學微腔感測器一般需要通過耦合器件輸入輸出光信號。傳統上，人們多採用將近場耦合器件，例如集成光波導或者錐形光纖，靠近至光學微腔表面的納米量級的模式倏逝場來實現與光學微腔模的有效耦合。但是，該近場耦合方法從原理上對波導的加工和光纖錐的對準提出了納米量級的精度要求，而且耦合效率受限於折射率匹配的程度。

創新及結論

在本項研究中，研究人員旨在通過一種實用的耦合架構得到較高耦合效率的緊湊型微感測探針。為此他們將高品質因子迴音壁模式和光纖整合，既利用了迴音壁模式增強光與物質相互作用的特性，也實現了與傳統光纖的有效集成。該設計的亮點還在於將輸入輸出介面合併為一個，可以通過同一段光纖向前和向後同時傳輸光源發射光和調製後的反射信號。

具體來說，實驗中用一個納米光纖尖端作為光散射體，讓它靠在微球腔表面。單模光纖通過梯度折射率透鏡把激光束聚焦到散射體上，得益於柏塞爾效應(Purcell effect)，很大一部分散射後的光被耦合進微球模式，其耦合效率達到了16.8%。特別的，反射信號也是通過類似的耦合通道，光學模式首先被散射體散射，進而被梯度折射率透鏡聚焦反向耦合回到單模光纖中。實驗表明該耦合系統對各元件之間的相對位置寬容性高，使其成為一項很實用的技術。另外整個耦合系統可視為一種基於光纖的迴音壁模式感測微探針，為今後感測/成像應用提供一套緊湊的平台。如：可以整合到醫療內窺鏡中準確獲取人體內局部溫度或壓強等信號。

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圖一實驗裝置和散射譜