高靈敏度微球激光傳感器基本原理

激光微球腔以其特有的回音壁模式，極高的品質(zhì)因子和極小的模式體積，在近年來(lái)引起了廣泛的關(guān)注。它在非線(xiàn)性光學(xué)、腔體量子電動(dòng)力學(xué)、低閾值激光器研究及量子光學(xué)等領(lǐng)域有著(zhù)重要的應用。本文綜述了微球激光在極高靈敏度傳感器方面的原理及最新的研究進(jìn)展。

一、引言

微球諧振腔是半徑從幾微米到幾百微米的球形光學(xué)諧振腔。通過(guò)在微球表面不斷的發(fā)生全反射，微球腔將光約束在赤道平面附近并沿大圓繞行[1]，激發(fā)出特有的回音壁模式(whispering gallery mode，簡(jiǎn)稱(chēng)WGM或WG)。由于全反射的作用，球外光場(chǎng)為倏逝場(chǎng)，這種光波是非傳播波，因此滲出微球以外的光是及其微弱的，所以它能夠將光約束在很小的體積內很長(cháng)時(shí)間而幾乎沒(méi)有任何損失，故微球諧振腔以其擁有能夠將能量長(cháng)時(shí)間儲存在很小的體積內的能力而備受關(guān)注[2]。正因為微球諧振腔具有極高的品質(zhì)因子(達到1010)和極小的模式體積[3]，使它在非線(xiàn)性光學(xué)、腔體量子電動(dòng)力學(xué)、低閾值激光器及量子光學(xué)等研究領(lǐng)域獨具優(yōu)勢。

近年來(lái)，對于激光微球諧振腔的研究成了一個(gè)新興的熱點(diǎn)，各國科學(xué)家都做了很多重要的工作。加州理工學(xué)院的實(shí)驗組用錐形光纖與微球腔近場(chǎng)耦合，耦合效率達到99.97%[4]，這是自1989年Branginsky等人首次使用熔融二氧化硅介質(zhì)微球通過(guò)棱鏡耦合[5]以來(lái)的一個(gè)重要進(jìn)展。在理論方面，Chai Jin-Hua等給出了微球激光的線(xiàn)性和非線(xiàn)性的半經(jīng)典理論[6]。在理論、實(shí)驗和工藝并進(jìn)發(fā)展的基礎上，微球激光在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應用。Spillane等做出的微球非線(xiàn)性拉曼(Raman)源測得的閾值是以前實(shí)測的千分之一[1]。

微球激光腔應用于傳感器領(lǐng)域，主要應用了微球諧振腔自身內部或者自身與外界相互作用的靈敏反應，諸如頻率或光譜的變化。一般地說(shuō)，很多外部因素可對其造成影響，如改變耦合器件與諧振腔的距離，或讓微小物體接近球外的倏逝場(chǎng)影響諧振腔的模式;從內部造成影響的方法則有改變腔內光程，例如球體的形變或者折射率的改變等[7]。由于微球諧振腔的作用，使得生物傳感器、溫度傳感器和加速度傳感器的精度和靈敏度等性能指標大大提高。

二、在極高靈敏度生物傳感器上的應用

通過(guò)外界微小粒子在微球表面附近與球外的倏逝場(chǎng)相互作用引起本征模式的微小變化，使得激光波長(cháng)變化而產(chǎn)生可觀(guān)察效果，Vollmer等人正是利用這種方法發(fā)明了一種“精度前所未有的” 生物傳感器[8]，他的實(shí)驗小組還對該傳感器的工作原理進(jìn)行了理論分析[9]10]。