O que é fotônica micro-nano?

A fotônica micro-nano estuda principalmente a interação entre luz e matéria em escalas micro e nano e suas aplicações na geração, transmissão, regulação, detecção e sensoriamento da luz. Dispositivos subcomprimento de onda em fotônica micro-nano podem melhorar significativamente o grau de integração de fótons, e espera-se que esses dispositivos se integrem em pequenos chips ópticos, como chips eletrônicos. A plasmônica de nano-superfície é um novo campo da fotônica micro-nano, que estuda principalmente a interação entre luz e matéria em nanoestruturas metálicas. Ela apresenta características como tamanho reduzido, alta velocidade e superação do limite de difração tradicional. A estrutura de guia de onda de nanoplasma, que possui bom aprimoramento do campo local e características de filtragem por ressonância, é a base de nanofiltros, multiplexadores por divisão de comprimento de onda, chaves ópticas, lasers e outros dispositivos ópticos micro-nano. Microcavidades ópticas confinam a luz a regiões minúsculas e aumentam consideravelmente a interação entre luz e matéria. Portanto, a microcavidade óptica com alto fator de qualidade é uma importante ferramenta para sensoriamento e detecção de alta sensibilidade.

Microcavidade WGM

Nos últimos anos, as microcavidades ópticas têm atraído muita atenção devido ao seu grande potencial de aplicação e importância científica. As microcavidades ópticas consistem principalmente em microesferas, microcolunas, microrings e outras geometrias. Trata-se de um tipo de ressonador óptico dependente da morfologia. As ondas de luz nas microcavidades são totalmente refletidas na interface da microcavidade, resultando em um modo de ressonância chamado modo de galeria sussurrante (WGM). Comparados a outros ressonadores ópticos, os microrressonadores apresentam características como alto fator Q (superior a 10⁶), baixo volume modal, tamanho reduzido e fácil integração, entre outras, sendo aplicados em sensoriamento bioquímico de alta sensibilidade, lasers de limiar ultrabaixo e ação não linear. Nosso objetivo de pesquisa é encontrar e estudar as características de diferentes estruturas e morfologias de microcavidades, e aplicar essas novas características. As principais linhas de pesquisa incluem: pesquisa das características ópticas de microcavidades WGM, pesquisa de fabricação de microcavidades, pesquisa de aplicações de microcavidades, etc.

Sensoriamento bioquímico de microcavidade WGM

No experimento, o modo WGM de quarta ordem M1 (FIG. 1(a)) foi usado para medição de sensoriamento. Comparado com o modo de baixa ordem, a sensibilidade do modo de alta ordem foi muito melhorada (FIG. 1(b)).

Figura 1. Modo de ressonância (a) da cavidade microcapilar e sua correspondente sensibilidade ao índice de refração (b)

Filtro óptico sintonizável com alto valor Q.

Primeiramente, a microcavidade cilíndrica radial de variação lenta é extraída, e então o ajuste do comprimento de onda pode ser obtido movendo-se mecanicamente a posição de acoplamento com base no princípio da relação entre forma e tamanho, a partir do comprimento de onda de ressonância (Figura 2 (a)). O desempenho de ajuste e a largura de banda de filtragem são mostrados nas Figuras 2 (b) e (c). Além disso, o dispositivo pode realizar sensoriamento óptico de deslocamento com precisão subnanométrica.

Figura 2. Diagrama esquemático do filtro óptico sintonizável (a), desempenho de sintonização (b) e largura de banda do filtro (c)

ressonador de gota microfluídico WGM

Em um chip microfluídico, especialmente para gotículas em óleo (gotículas imersas em óleo), devido às características da tensão superficial, gotículas com diâmetro de dezenas ou mesmo centenas de micrômetros ficam suspensas no óleo, formando uma esfera quase perfeita. Através da otimização do índice de refração, a própria gotícula se torna um ressonador esférico perfeito com um fator de qualidade superior a 10⁸. Isso também evita o problema da evaporação no óleo. Gotículas relativamente grandes tendem a se apoiar nas paredes laterais superior ou inferior devido às diferenças de densidade. Esse tipo de gotícula só pode utilizar o modo de excitação lateral.