Диссертация (Моды шепчущей галереи в неидеальных оптических микрорезонаторах. Методы аппроксимации), страница 9

При падении света под резонансным углом достигаетсясвязь с волноводом и появляется отраженный свет на выходе. Выпадающее поле волново-47да чувствительно к осажденному на его поверхности веществу, в результате чего меняетсярезонансный угол. Подобная конструкция отличается достаточно большим выпадающим полем, что позволяет использовать ее для детектирования клеток, размер которых достигает нескольких микрон. В отличии от плазмонного резонанса, который работает только наТМ-моде, резонансное зеркало использует ТЕ и ТМ моды, которые имеют разные резонансные углы. На основе этой конфигурации также создан коммерческий продукт компаниейNeoSensors.Сенсоры на основе резонансного зеркала, хотя и выигрывают у сенсоров на основе плазмонного резонанса по простоте и удобству использования, но оказываются дороже и сложнеев производстве.

Для решения этой проблемы существует гибридная конструкция, сочетающая в себе плюсы волноводного датчика с простотой изготовления плазмонно-резонансныхсенсоров. Она представляет из себя слой диэлектрика с малым показателем преломления,разграниченный с призмой тонкой металлической пленкой. Диэлектрик в данном случае выступает в качестве волновода с выпадающим полем, а металлическая прослойка позволяетввести больше света в волновод, в результате чего чувствительность такой схемы оказывается намного выше за счет большего выпадающего поля [60–62].

Это позволяет детектироватьдостаточно большие объекты, такие как клетки [60, 61, 63, 64].3.1.4Сенсоры на основе оптоволокнаИспользование оптоволокна для создания сенсоров оказывается очень перспективным, таккак оно не только дешево и просто в изготовлении, но и удобно в использовании [65, 66].3.1.4.1Брэгговские решетки в волокнеОдной из самых популярных конструкция является Брэгговская решетка [67]. Такой датчикпредставляет из себя волокно, в центральной жиле которого создана периодическая структура показателя преломления.

Эта структура, или Брэгговская решетка, создается при освещении волокна в направлении перпендикулярном его оси двумя пересекающимися сфокусированными лазерными пучками ультрафиолетового диапазона. Интерференционная картинаэтих пучков и записывает в участок волокна периодичную структуру показателя преломления, которая работает как фильтр-пробка и отражает свет только с Брэгговской длинойволны [68]. Существует немало вариантов связи с выпадающим полем Брэгговской решетки,что достаточно непросто и является отдельной задачей [69–72].Большой популярностью пользуется дизайн, при котором можно избежать необходимостисвязываться непосредственно с основной жилой волокна и схема достаточно чувствительнак изменениям на поверхности [73].

Это достигается при больших периодах Брэгговской ре-48шетки, порядка 100 мкм -1 мм. Хотя чувствительность такой конструкции достаточно мала.3.1.4.2НановолокноЭто кварцевое волокно, вытянутое при нагревании до диаметра менее 1мкм. Нановолокноимеет большое выпадающее поле в связи со своими размерами и чувствительно к изменению показателя преломления. Оно не является новым типом сенсора, а скорее служит дляулучшения уже известных сенсоров [74–76].3.1.5Фотонный кристаллСовершенно другой класс биосенсоров использует фотонные кристаллы, хотя сам принципдействия остается прежним [77–90]. Фотонный кристалл - это периодическая структура, пропускающая через себя определенные длины волн (как и фильтр пробка).

Наличие дефекта,который чаще всего реализуют в качестве большого отверстия в центре, приводит к появлению дефектной моды в закрытом диапазоне частот, а изменение дефекта, выражающееся восаждении на поверхность аналита, приводит к изменению выходного спектра. Существуетмножество конфигураций этого типа датчиков. Стоит отметить, что их общим достоинствомявляются малые размеры и расход препарата.3.1.6Сенсоры на микрорезонаторах с модами шепчущей галереиПринцип работы этого типа сенсоров основан на чувствительности выпадающего поля кизменению показателя преломления среды при осаждении детектируемого вещества. Остановимся на них более подробно.3.1.6.1Отражение на границе разделаПри полном внутреннем отражении поле выходит за границу раздела сред, на которой происходит отражение, но при этом коэффициент отражения на поверхности остается равнымединице.

При углах, больших полного внутреннего отражения, угол падения становится комплексным, что приводит к появлению мнимой части у волнового вектора, направленной перпендикулярно поверхности, что соответствует экспоненциально спадающей волне снаружиповерхности, на которой происходит отражение. Характерная глубина, на которую проникает поле определяется по формуле:σ ≈ k0−1 c0 (n1 , n2 ) + c2 (n1 , n2 ) cos2 (φ) + ... ,49(3.1)где c0 (n1 , n2 ) и c2 (n1 , n2 ) положительные постоянные, зависящие от показателей преломленияи φ угол падения на поверхность. Эффективный набег фазы при отражении от поверхностибудет зависеть как от показателя преломления наружной среды, так и от угла, под которымот поверхности отражается волна.

Этот эффект также известен как эффект Гуса-Хенхена[91]. Именно выпадающее поле дает возможность детектировать соединения на поверхностираздела.3.1.6.2Основные типы детекторовТипов сенсоров, использующих оптические микрорезонаторы с модами типа шепчущей галереи, достаточно много. Все они так или иначе связаны с тем, что добротность микрорезонаторов может достигать огромных, вплоть до 1011 , значений [2], что позволяет достичьбольшой чувствительности. Так как для практических приложений очень важен как размерустройства и возможность его интеграции на чипе, так и его чувствительность, то в каждомконкретном случае выбирается свой подход к конструированию сенсора. Более чувствительные детекторы, обычно, обладают более сложной и громоздкой структурой.Наиболее простые детекторы измеряют сдвиг резонансной частоты, вызванный изменением эффективного показателя преломления из-за появления на поверхности резонатора слоявещества, обладающего диэлектрическими свойствами.

Для такой схемы измерений, обычно,достаточно иметь микрорезонатор в ячейке, на который осаждается детектируемое вещество,и элемент связи с ним. При этом форма резонатора может быть различной, например, шарики [92], [93], диски [94] или тороиды [95] и так далее. Работ на эту тему сейчас достаточномного [96].Кратко рассмотрим некоторые из них.В 2002 году в работе [97] детектировались протеины на поверхности микрорезонатора,причем измерялся сдвиг собственной частоты резонатора. В эксперименте использовалсясфероид размером около 300 мкм., получившийся на кончике одномодового оптического волокна в пламени горелки и обработанный 3-аминопропилтриметоксисиланом для приданияему гидрофобных свойств.

Добротность микрорезонатра получилась около 2 × 106. Микрорезонатор помещался в ячейку с раствором детектируемого вещества. Сканирование осуществлялось перестраиваемым полупроводниковым лазером и после прохождения через микрорезонатор усиливалось и попадало на детектор. Измерение чувствительности детектора проводилось на молекуле бычьего сывороточного альбумина (БСА). Изменение концентрацииБСА показало, что при пороговом значении, соответствующем одному монослою вещества,молекулы перестают оседать на резонатор. После этого были проведены измерения на альбумине человека, структура которого очень похожа на БСА.

Экспериментально установлено,что минимальная концентрация, которую можно детектировать, это 0.01 мг/М, а минималь50ная масса детектируемых молекул должна быть не меньше 50 г/М.Белее современные эксперименты обладают значительно большей точностью. В экспериментах 2014 [98] года уже получается детектировать появление одной молекулы на поверхности резонатора. Резонатор для этого эксперимента изготавливался с помощью мощного CO2лазера, расплавляющего конец оптического волокна.

Резонатор получается меньшего размера (80 мкм.) и с добротностью также около 106 . В этом эксперименте удается детектироватьсдвиг частоты с точностью до 1/1000 ширины линии, благодаря компьютерной обработке. Вэксперименте детектируется вирус, размер которого достигает 100nm. Более мелкие вирусыдетектировать с помощью измерения сдвига резонансной частоты не получается.3.1.6.3Методы улучшения чувствительностиДля увеличения чувствительности сенсора можно, в частности, увеличивать добротностьмикрорезонатора. При этом уменьшается ширина линии, что дает возможность измерятьболее малые сдвиги частоты.Например, в работе [99] детектируется наличие небольшого количества (0.0001%) тяжелойводы D2 O в обычной воде. Это оказывается возможным благодаря тому, что в диапазоне 1300нм. добротность резонатора в обычной воде (106 ) на порядок ниже, чем в тяжелой.В 2003 году для измерения молекул ДНК был предложен метод [100], который использовал одновременно 2 микрорезонатора с разными покрытиями.