光微流耦合回音壁模式微腔激光傳感器的研究.pdf

1、回音壁模式光學(xué)微腔是通過界而處的全反射將光場(chǎng)限制在微米量級(jí)的器件。由于這類器件一般具有很高的Q值和小的模體積，在無(wú)標(biāo)記光學(xué)生物傳感應(yīng)用中尤其是在單顆粒探測(cè)方面可以有效的增加光場(chǎng)和分析物作用時(shí)間和作用范圍，從而實(shí)現(xiàn)高靈敏度，低探測(cè)極限的探測(cè)。目前僅僅依靠單個(gè)回音壁模式微腔本身進(jìn)行傳感探測(cè)的研究由于受到器件結(jié)構(gòu)和信號(hào)分辨率的限制，體折射率靈敏度和顆粒探測(cè)極限分別限制在1000 nm/RIU以內(nèi)和探測(cè)半徑最小為12.5 nm的聚苯乙烯小球。<

2、br>　　為了進(jìn)一步的提高傳感器的探測(cè)性能，人們?cè)诨匾舯谖⑶坏幕A(chǔ)上引入多種增強(qiáng)機(jī)制。目前被廣泛研究的增強(qiáng)機(jī)制包括摻雜增益介質(zhì)，激發(fā)局域等離子體，利用耦合或級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)以及光鑷操控等。本論文將圍繞耦合回音壁模式微腔結(jié)構(gòu)展開系列研究，設(shè)計(jì)、制備和表征高靈敏度的生物傳感器。主要結(jié)果包括:
　　1.理論上分析了光微流諧振環(huán)中回音壁模式分布與其傳感靈敏度，并針對(duì)實(shí)驗(yàn)中所使用的耦合腔尺寸，計(jì)算了當(dāng)耦合腔不同模式間相互耦合時(shí)，游標(biāo)效應(yīng)對(duì)諧振波長(zhǎng)靈

3、敏度的放大作用。理論結(jié)果顯示在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)下利用游標(biāo)效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)103～105 nm/RIU量級(jí)體折射率靈敏度，這比單個(gè)光微流諧振環(huán)的靈敏度探測(cè)極限(102)大數(shù)個(gè)量級(jí)，突破了單個(gè)回音壁模式微腔靈敏度探測(cè)極限。
　　2.實(shí)驗(yàn)上利用光斑微區(qū)加熱的方法，在基片型耦合微盤結(jié)構(gòu)中驗(yàn)證了耦合回音壁模式微腔激光器耦合區(qū)間在傳感中的特殊性質(zhì)并不影響出射光譜的游標(biāo)效應(yīng)。使用532 nm的連續(xù)激光器聚焦光斑（直徑為40μm）照射SU-8/RhB耦合

4、盤的不同位置，由于熱效應(yīng)可引起局域折射率變化。改變激光功率可以實(shí)現(xiàn)折射率的連續(xù)變化，從而引起出射光譜包絡(luò)移動(dòng)，結(jié)果顯示光譜移動(dòng)規(guī)律符合游標(biāo)效應(yīng)。
　　3.分別設(shè)計(jì)并制作了單通道和雙液芯光微流回音壁模式耦合微腔激光傳感器，它們實(shí)現(xiàn)了水相樣品超高靈敏度探測(cè)。首先將光微流諧振環(huán)與固體環(huán)形激光器相耦合，利用游標(biāo)效應(yīng)對(duì)光微流諧振環(huán)的靈敏度進(jìn)行放大，在水相樣品體折射率探測(cè)實(shí)驗(yàn)中，放大倍數(shù)達(dá)到了355，體折射率靈敏度為2510 nm/RIU，對(duì)