CN107389610B - 基于微腔Fano共振的传感方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种于轴对称光学微腔的Fano共振传感装置，包括轴对称光学微腔和耦合波导，轴对称微腔为柱型，包括直筒型实心圆柱微腔，直筒型空心圆柱微腔，微泡状(microbubble)实心柱形微腔，微泡状空心柱形微腔，微环腔，金属包覆柱形微腔等；微腔的材料是二氧化硅，高分子聚合物，光学晶体，半导体材料等；耦合波导是直径为0.5～1.5微米的光纤锥，高折射率的耦合棱镜，片上集成波导等。微腔中离散的高阶回音壁模式与连续的背景光相消干涉，能够稳定、有效的产生动态变化的Fano共振谱。

Description

基于微腔Fano共振的传感方法及装置

技术领域

本发明涉及光学传感技术领域，更具体的说是基于微纳结构上的Fano共振传感技术。

背景技术

生物化学传感技术作为生命科学大学科背景下的重要方向，一直是研究的热点。目前，生物分子的检测技术以传统的分析方法即化学法为主，常常包括了一系列繁琐的操作过程，而且周期较长，远不能适应实际需求。20世纪末，科学家就开始了对专一性强、灵敏度高、操作简便的传感检测技术的研究。近年来得益于生命科学、分析化学、物理学和信息学等领域的交叉发展，基于微纳结构的生物传感器的研究成为众多学者关注的热点。

Fano resonance(FR)概念起源于量子物理领域，于1961年被意大利裔美国科学家Ugo Fano提出。处于离散激发态的电子和具有相同能级的连续态发生量子干涉时，会产生非对称的共振谱型，也就是以Fano命名的FR。后来，FR概念由量子物理领域引入到经典光学领域，引起了各国科学家的关注和探索。在经典光学中，连续的背景散射光和离散的共振散射光相消干涉会产生非对称的Fano共振谱型。在共振点附近，相位和幅度的急剧变化使得FR在慢光与快光，光开关，生物化学传感，非线性光学等领域具有广阔的应用前景。为此，科学家们在光子晶体，半导体系统，等离子微结构，光学微腔等各种物理结构上展开了大量研究，力求以简单的结构稳定的激发出FR谱型，并应用到相关领域。

在各种微结构中，回音壁模式(whispering gallery mode,WGM)光学微腔具有超高的品质因子(Q值)和极小的模式体积，吸引了全球众多研究小组在WGM微腔中研究FR的激发与应用。根据已经发表的文献记载，在WGM微腔中，激发FR的途径有三种。第一：高Q值模式和低Q值模式的干涉：通过直接耦合的微腔组合，间接耦合的微腔组合，亦或是单个微腔中模式干涉都可以实现FR的激发。第二：高Q值模式和混沌模式的干涉：北京大学肖云峰研究小组在《Tunneling-induced transparency in a chaotic microcavity》中利用自由空间光在变形(deformed)微腔中同时激发高Q值WGM模式和混沌模式，两者的相消干涉产生动态变化的FR；第三：动态调节微腔内增益(或损耗)或者微腔之间耦合强度。华盛顿大学的LanYang研究小组通过在WGM微腔中掺杂铒离子，利用泵浦光在微腔中产生动态增益，实现了动态FR的激发。

在对FR的研究中，大多数研究小组在实验层面依旧停留在FR的激发上，精密复杂且不稳定的结构使得FR的应用存在很大的瓶颈。在生物传感领域，理论研究早已经验证基于FR的传感具有相当高的折射率灵敏度，然而在实验中，基于微腔中FR的传感研究一直很难有突破性进展。总结之下，有两个方面原因：第一，激发FR的物理结构复杂，对FR谱型的精确控制难度大；第二，综合FR的激发与应用，搭建稳定高效的传感实验平台难度大。2016年，复旦大学的徐雷课题组在《Fano resonance and improved sensing performance in aspectral-simplified Optofluidic micro-bubble resonator by introducingselective modal losses》中利用微泡(microbubble)谐振腔进行光流传感实验，然而该实验提供的方法不论在原理还是应用方面都有很多值得改进的地方，其中的问题大概有如下三点，一、激发出的透射谱比较杂乱，模式难以区分；二、实验结果中所呈现的Fano共振谱形状依旧是洛伦兹型透射谱，并且不能实现动态调节；三、传感的灵敏度虽然达到48.8nm/RIU，但依旧比较低，在单分子检测，细胞计数等高要求的生物化学传感应用场景下，仍然需要进一步提高。在发明中，我们在国际上首次提出了一种简单、稳定激发出动态Fano共振的方法，透射谱中Fano共振模式清晰，易于识别分析，将此技术和生物化学传感相结合，可以实现超高灵敏度的折射率传感测量，并且实验装置易于集成，有利于实现商业化开发。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种与现有技术相比结构简单稳定、易封装集成的激发Fano共振谱的方法及装置，并利用此装置产生的Fano共振谱实现高灵敏度和高品质因子的传感测量。

为了达到此目的，本发明采用如下的技术方案：基于轴对称光学微腔的Fano共振传感装置，其特征是包括轴对称光学微腔和耦合波导，轴对称微腔为柱型，包括直筒型实心圆柱微腔，直筒型空心圆柱微腔，微泡状(microbubble)实心柱形微腔，微泡状空心柱形微腔，微环腔，金属包覆柱形微腔等；微腔的材料是二氧化硅，高分子聚合物，光学晶体，半导体材料等；耦合波导是直径为0.5～1.5微米的光纤锥，高折射率的耦合棱镜，片上集成波导等。装置采用细光纤锥和轴对称微腔的创新组合激发Fano共振，微腔中离散的高阶回音壁模式(Whispering gallery mode,WGM)与连续的背景光相消干涉，能够稳定、有效的产生动态变化的Fano共振谱(Fano resonance)。样品与Fano共振模式的相互作用，间接对Fano共振模式进行调制，产生波长频移。该传感装置集合了WGM微腔与Fano共振的优点，使得传感测量同时拥有高品质因子(Q值)和高折射率灵敏度。

根据所述的基于轴对称光学微腔的Fano共振传感装置的传感方法，当耦合波导与微腔发生耦合，离散的回音壁模式与连续的背景光相消干涉，产生的Fano共振模式与样品相互作用，实现高灵敏度和高Q值的传感。

所述的连续背景光是指弱辐射模背景，低Q值的表面等离子激元模，低Q值的回音壁模式等。

所述Fano共振模式由动态Fano共振谱产生，通过调节耦合波导与微腔的间距改变耦合强度，或者固定耦合波导与微腔的间距，改变耦合波导的耦合尺寸大小，用于产生Fano共振。

所述的Fano共振模式中，Fano共振谱的形状可以是洛伦兹凹型透射谷，非对称的透射谱或是类似于EIT(electromagnetically induced transparency)的凸形透射峰。

本发明尤其是采用柱形微腔与细光锥耦合来激发出高Q值，可调谐的Fano共振谱。柱形微腔同时拥有局域化的回音壁模式和非局域化的辐射模，使用细光纤锥可以同时激发出这两种模式。通过控制光锥与微腔的耦合强度，辐射模的损耗相应改变，造成光锥中直接透射的背景光强度随着耦合强度发生变化，在耦合点附近，回音壁模式与背景光相消干涉，形成不同几何形状的Fano共振谱型。当待测样品与Fano光信号作用时，通过折射率的改变间接调制Fano光信号，Fano共振的波长发生变化，通过波长差的值就可以推算出折射率的变化，从而达到传感测量的目的。

进一步，柱形微腔的材料是二氧化硅，高分子聚合物，光学晶体，半导体，其三维结构是直筒型实心圆柱微腔，直筒型空心圆柱微腔，微泡状实心柱形微腔，微泡状空心柱形微腔，金属包覆柱形微腔。

进一步，光锥的耦合直径D₀在0.5～1.5微米之间。

进一步，连续背景光是辐射模背景，表面等离子激元模，低Q值回音壁模式。

进一步，耦合强度的改变可以通过调节光锥与微腔之间的间距，或者固定间距，沿着纵向移动光锥改变光锥的耦合直径。

进一步，传感所用的Fano共振谱可以是非对称的线型，也可以是对称的EIT线型。

进一步，样品与Fano共振信号的作用可以发生在微腔内表面(针对空心柱形微腔)，也可以发生在微腔外表面(实心柱形微腔，金属包覆柱形微腔)。

相对于现有的相关技术，该发明具有如下的有益效果：

1、柱形微腔的制作简单，避免其他类型微腔(微盘，微球等)复杂的制作工艺

2、装置结构简单，避免多微腔组合以及严格的模式匹配，易于封装集成化

3、Fano共振谱的激发简单高效，能同时实现带宽范围内所有Fano共振模式激发

附图说明

图1是本发明基于Fano共振传感的平台装置结构图；

图2是光锥与微腔耦合以及光信号与样品作用示意图；

图3是微腔中Fano共振信号激发的原理图，连续光+离散光产生共振模式；

图4是Fano共振信号谱型随着q值变化的示意图；

图5是图1装置中透射谱动态变化示意图；

图6是图1装置中类EIT的Fano共振模式；

图7是图1装置中Fano共振模式的传感灵敏度测量结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本发明装置包括了可调谐激光器，偏振控制器，光锥波导，柱形微腔，光电探测器，数据采集系统等。从可调谐激光器中出来的光经过偏振控制器调节偏振态，通过光锥将光耦合进柱形微腔中产生WGM模式，光锥中直接透射的连续背景光与离散的WGM模式发生相消干涉，产生Fano共振信号，然后经过光电探测器进行光电转换，最终利用数据采集系统进行信号的分析与处理。光输入1、细光锥2、光输出3、柱形微腔4、待测样品5。

进一步的说明如图2a所示，该传感装置的一个重要特征是光锥的直径，该光锥直径的最细部分要达到0.5μm～1.5μm。相对于封闭型微腔(微球等)，柱形微腔同时拥有局域的WGM模式和非局域的辐射模，超细的光锥可以大量激发出辐射模和高阶WGM模式，而正是柱形微腔非封闭的特性，大量辐射模能够被轻易损耗掉，使得光锥中的直接透射光强度急剧减弱，给Fano共振的产生提供了必要条件，从而可以产生图中所示的类EIT的Fano共振模式。为了说明样品与光作用的具体流程，在图2b中以空心柱形微腔为例。该空心柱形微腔可以由毛细管制作而成，利用用氢氟酸腐蚀方法或者光纤拉制方法，控制毛细管的壁厚在1～5μm，也就是r2-r1在1～5μm之间，其中r1是毛细管内径，r2是外径。在传感实验中，液体样品通过注射泵注射到微腔中，微腔中的高阶WGM模式与样品发生作用，WGM模式的波长将发生频移，并体现在Fano共振光信号上，从而达到传感检测目的。

进一步，如图3所示，Fano共振信号是由离散的光信号与连续的背景光相消干涉而形成的，具体到本发明中，我们利用WGM模式作为离散的光信号，光锥中直接透射的光作为连续背景光，离散的WGM模式光强度I_d和连续的背景光强度I_c可以通过光锥与微腔的耦合强度进行调节。或者通过改变耦合点光锥的直径，也可以达到调节离散光与背景光强度的效果。不同的光强比I_d/I_c会产生不同形状的Fano谱。

如图4所示，Fano共振信号的谱型由q值决定，在理论物理中，关于Fano共振信号的产生原理如下：

其中q就是Fano参数，它等于离散光信号的强度与背景光强度的比值I_d/I_c，q值直接决定了Fano共振谱型的形状，ε≡(ω-ω₀)/Δω是输入光ω与微腔中谐振光ω₀之间的调谐频率。我们可以通过调节q值，来达到对Fano共振谱型的调节。当q值接近于0时，呈现出凹型洛伦兹谱型；当q＝1时，呈现标准的非对称Fano谱；当q值很大时，呈现出凸形的洛伦兹谱型。这样的一种动态变化过程，可以通过本发明简单、高效得呈现出来。

图5是在图1装置的基础上测量出来的透射谱，此透射谱是基于毛细管中的样品是纯净的蒸馏水。从图5(a)到5(f)的变化是通过精密的位移调节装置改变光锥与微腔的耦合直径而发生。在调节过程中，光锥一直保持与柱形微腔的稳定接触，光锥的耦合直径最大是～2μm，最小是～1μm。图5中从上到下，我们可以看到透射谱谱型明显的演变过程。高阶模式(模式1，模式2，模式3)从无到有，很多低阶模式从有到无。透射谱中的背景光强度随着光锥直径的减小也相应的减小，这是因为光锥越细，激发的辐射模越多，大量辐射模的损耗会造成直接透射的背景光急剧降低。背景光强度的改变引起q值的变化，体现在透射谱中，我们可以看到，对于模式3，其透射谱型一直在随着光锥的直径的降低而发生改变，从标准的洛伦兹透射谷，演变成非对称的Fano共振谱型，最终当背景光的强度降到最低值(q值最大)时，透射谱变成了类EIT的谐振峰。

除了改变耦合点光锥直径的大小，通过调节光锥与微腔的耦合间距也可以达到相似的效果。耦合间距直接决定着耦合强度的大小，不同的耦合强度会产生不同的辐射模损耗，也会间接调节q值，改变Fano共振谱型。

图6是从图5中独立出来的一幅图，这样的透射谱产生的条件有三：其一，耦合点光锥直径必须足够细(～1μm)；其二，所用的微腔必须是轴对称柱型微腔；其三，光锥要与微腔保持充分的接触(即耦合间距为0)。这样的谱型是当q值足够大的时候才会出现，如上所述的三个条件充分保证了足够大的q值。相对于一般的透射谱，这样的透射谱用于传感研究有如下几个优点：其一，透射谱非常干净，模式数量少，便于识别和分析；其二，这些Fano模式都是高阶模式，传感灵敏度大；其三，这些Fano模式的品质因子(Q值)高，能够提高传感的FoM(Figure of merit)。如图6所示，模式1、模式2、模式3的Q值分别为13000、11000、8000。

图7是基于图6的三种模式进行传感的波长平移图。在实验中，我们在空心毛细管注射不同浓度的酒精和水的混合溶液，不同的浓度的混合溶液对应着不同的体折射率。当毛细管中注入的是纯净的蒸馏水时，标定模式1，模式2，模式3的Fano共振波长分别为λ₁₀，λ₂₀，λ₃₀。当注入某浓度混合溶液时，记录三种模式的Fano共振波长分别为λ_1i，λ_2i，λ_3i，i＝1,2,3,4此时波长位移Δλ_1i＝λ_1i-λ₁₀，Δλ_2i＝λ_2i-λ₂₀，Δλ_3i＝λ_3i-λ₃₀，根据四组不同浓度的测量数据，绘出了如图7所示的波长平移图。根据拟合结果可以算出，模式1、模式2、模式3的折射率灵敏度是218nm/RIU，697nm/RIU，800nm/RIU，相对于传统的WGM模式，这样的传感灵敏度提高了一个数量级。再结合各自的Q值，我们可以计算出三种模式传感的FoM值，FoM＝S/Δλ，其中S是灵敏度，Δλ是模式的全宽半高。根据公式，三种模式的FoM值分别为1828,4946,4192，如此高的FoM既充分保证了传感的灵敏度，也保证了传感的精度。

综上所述，本发明提供了一种稳定、高效激发Fano共振的方法和装置，基于此装置可以实现高灵敏度和高FoM的传感。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.基于轴对称光学微腔的Fano共振传感装置的传感方法，其特征是，基于如下共振传感装置，所述共振传感装置包括轴对称光学微腔和耦合波导，轴对称光学微腔为柱型，包括直筒型实心圆柱微腔、直筒型空心圆柱微腔、微泡状实心柱形微腔、微泡状空心柱形微腔、微环腔、金属包覆柱形微腔；轴对称光学微腔的材料是二氧化硅、高分子聚合物、光学晶体、半导体材料；耦合波导是直径为0.5～1.5微米的光纤锥、高折射率的耦合棱镜或片上集成波导；当耦合波导样品与轴对称光学微腔发生耦合，离散的回音壁模式与连续背景光相消干涉，产生的Fano共振模式与样品相互作用，实现高灵敏度和高Q值的传感；所述的连续背景光是弱辐射模背景、低Q值的表面等离子激元模或低Q值的回音壁模式；样品与Fano共振信号的作用针对空心柱形微腔时发生在轴对称光学微腔内表面，金属包覆柱形微腔时发生在轴对称光学微腔外表面。

2.根据权利要求1所述的基于轴对称光学微腔的Fano共振传感装置的传感方法，其特征是，Fano共振模式实现动态调谐，通过调节耦合波导与微腔的间距、固定耦合波导与微腔的间距或者改变耦合波导的耦合尺寸来完成。

3.根据权利要求1或2所述的基于轴对称光学微腔的Fano共振传感装置的传感方法，其特征是，所述的Fano共振模式中，Fano共振谱的形状是洛伦兹凹型透射谷、非对称的透射谱。

4.根据权利要求1或2所述的基于轴对称光学微腔的Fano共振传感装置的传感方法，其特征是，传感所用的Fano共振谱是非对称的线型或对称的EIT线型。

5.根据权利要求1或2所述的基于轴对称光学微腔的Fano共振传感装置的传感方法，其特征是，采用柱形微腔与0.5～1.5微米的细光锥耦合来激发出高Q值、可调谐的Fano共振谱；柱形微腔同时拥有局域化的回音壁模式和非局域化的辐射模，使用细光纤锥同时激发出这两种模式；通过控制光锥与微腔的耦合强度，辐射模的损耗相应改变，造成光锥中直接透射的背景光强度随着耦合强度发生变化，在耦合点附近，回音壁模式与背景光相消干涉，形成不同几何形状的Fano共振谱型。

6.根据权利要求5所述的基于轴对称光学微腔的Fano共振传感装置的传感方法，其特征是，当待测样品与Fano光信号作用时，通过折射率的改变间接调制Fano光信号，Fano共振的波长发生变化，通过波长差的值就能推算出折射率的变化，从而达到传感测量的目的。

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