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，在近年來引起了廣泛的關(guān)注。它在非線性光學(xué)、腔體量子電動力學(xué)、低閾值激光器研究及量子光學(xué)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)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，簡稱WGM或WG)。由于全反射的作用，球外光場為倏逝場，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?qū)⒐饧s束在很小的體積內(nèi)很長時間而幾乎沒有任何損失，故微球諧振腔以其擁有能夠?qū)⒛芰块L時間儲存在很小的體積內(nèi)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]，使它在非線性光學(xué)、腔體量子電動力學(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，對于激光微球諧振腔的研究成了一個新興的熱點，各國科學(xué)家都做了很多重要的工作。加州理工學(xué)院的實驗組用錐形光纖與微球腔近場耦合，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)微球通過棱鏡耦合[5]以來的一個重要進展。在理論方面，Chai Jin-Hua等給出了微球激光的線性和非線性的半經(jīng)典理論[6]。在理論、實驗和工藝并進發(fā)展的基礎(chǔ)上，微球激光在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。Spillane等做出的微球非線性拉曼(Raman)源測得的閾值是以前實測的千分之一[1]。

微球激光腔應(yīng)用于傳感器領(lǐng)域，主要應(yīng)用了微球諧振腔自身內(nèi)部或者自身與外界相互作用的靈敏反應(yīng)，諸如頻率或光譜的變化。一般地說，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影響諧振腔的模式;從內(nèi)部造成影響的方法則有改變腔內(nèi)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(yīng)用

通過外界微小粒子在微球表面附近與球外的倏逝場相互作用引起本征模式的微小變化，使得激光波長變化而產(chǎn)生可觀察效果，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]，他的實驗小組還對該傳感器的工作原理進行了理論分析[9]10]。