La mise en œuvre d'un interféromètre de référence pour Nanodetection
Summary
Une technique de l'interféromètre de référence, qui est conçu pour éliminer le bruit de gigue laser indésirable pour nanodetection, est utilisé pour sonder un facteur microcavité ultra-haute qualité. Instructions pour l'assemblage, l'installation et l'acquisition de données sont fournies, parallèlement au processus de mesure pour spécifier le facteur de qualité de la cavité.
Abstract
Un interféromètre de fibre thermiquement et mécaniquement stabilisé adapté pour l'examen des facteurs micro-cavités ultra-haute qualité est façonné. Après une évaluation de la gamme spectrale libre (FSR), le module est mis en parallèle avec un système cône-microcavité fibre et ensuite calibré par l'intermédiaire d'isoler et d'éliminer les variations aléatoires de la fréquence de laser (c.-à-bruit de gigue du laser). Pour réaliser la jonction cône-microcavité et à maximiser la puissance optique qui est transférée au résonateur, un guide d'ondes monomode de la fibre optique est tirée. Les solutions contenant des nanobilles de polystyrène sont ensuite préparés et transportés à la microcavité afin de démontrer la capacité du système à détecter la liaison à la surface de la microcavité. Données est post-traitée par la courbe d'adaptation approprié, qui permet des mesures à haute résolution du facteur de qualité ainsi que le tracé des paramètres dépendant du temps, telles que la longueur d'onde de résonance et la fréquence des changements scission. Par précautioninspecter étapes de la réponse dans le domaine temporel et le décalage de la réponse dans le domaine fréquentiel, cet instrument peut quantifier événements de liaison discrètes.
Introduction
intérêt de la recherche a augmenté de manière significative sur l'utilisation du mode de chuchotement galerie (WGM) microcavités dans le but de nanodetection et biodétection 1-8. Il s'agit du facteur de qualité ultra-haute (Q) cavités optiques qui sont compétents dans l'identification des particules biologiques minuscules, en baisse au niveau d'une seule protéine 2. C'est, changements de résonance et la fréquence scission surveillance pour la transmission avec une sensibilité extraordinaire 9-11 peut être activé par le confinement de la cavité de l'énergie lumineuse dans un petit volume de mode. Les variations dans les propriétés optiques d'un résonateur sont la cause de ces changements, qui à son tour proviennent de la liaison de molécules ou de nanoparticules discrètes. Un exemple moins sophistiquée d'une structure WGM en trois dimensions pour des applications est une microsphère de silice, qui peut être fabriqué avec une surface lisse près atomique par ablation simplement une fibre optique étirée en utilisant un laser à CO 2. Comme cela est connu,Q élevé des facteurs de l'ordre de 10 9 peuvent être atteints 1.
La fréquence de résonance d'une microcavité est classiquement suivi par balayage de la fréquence optique d'une source laser accordable en même temps tandis que photo-détection de la transmission optique qui est capturée sur un oscilloscope. Un inconvénient inhérent à cette technique est l'incertitude associée à la localisation des gouttes dans la transmission qui résulte de la fluctuation de longueur d'onde laser ou laser gigue. Pour surmonter cette complication, un interféromètre peut être utilisé conjointement avec un micro-cavité pour produire un signal de référence pour annuler la gigue de laser et d'accroître la sensibilité observée 2. Entrée de lumière est divisée en deux chemins optiques: le faisceau de référence qui passe à travers l'interféromètre (avec un intervalle spectral libre FSR ou suffisamment grande pour empêcher le laser à partir de l'espacement jittering une fréquence FSR passé lors de la mesure) et le faisceau de détection qui interacts avec le microrésonateur WGM. Cette caractéristique simplifie la comparaison avec des expériences dans des configurations plus avancées, telles que celle de WGM détection impliquant la combinaison d'un laser à rétroaction répartie (DFB) et le niobate de lithium périodiquement polarisé (PPLN) doubleur 12. Dans cette publication, une technique d'interférométrie pour la surveillance de la matière à l'échelle nanométrique à base de facteur microcavité ultra-haute qualité est décrit 3. Les procédures d'installation et d'acquisition de données qui sont nécessaires pour accomplir ce sont décrites, illustrant la façon dont le facteur de qualité de la cavité peut être déterminée par interférométrie de référence.
Protocol
Representative Results
Discussion
Cette configuration actuelle est capable de sonder une variété de micro-cavités WGM, tels que les micro-disques, des microsphères, et microtoroids, sans nécessiter de commande de rétroaction de la source de laser de la sonde. Une proportion considérable signal-sur-bruit (SNR) pour la détection peut être obtenue en raison des améliorations étape de changement de vitesse fournis par la longueur du trajet et les effets de rétrodiffusion provoqués par les particules. Etant donné la simplicité et le faible co?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs tiennent à remercier Xuan Du pour construire le schéma conceptuel de la figure 1. Ce travail a été financé par des subventions de sciences naturelles et en génie (CRSNG) du Canada.
Materials
| Polystyrene Microspheres | PolyScience | ||
| Dulbecco’s Phosphate Buffered Saline (DPBS) | Life Technologies | 14190 | |
| Piezoelectric Nanopositioner System | Precision Instrument | P-611.3S | |
| Balanced Photodetector | Thorlabs | PDB120A | |
| Photo Detector | Newport | 1801-FC | |
| 2 x 3-dB Fiber Optical Directional Coupler | Thorlabs | FC632-50B | |
| 10-dB Fiber Optical Directional Coupler | Thorlabs | FC632-90B | |
| 2 x Drop In Polarization Controller | General Photonics | PLC-003-S-25 | |
| Function Generator | Hewlett Packard | 33120A | |
| Fusion Splicer | Ericsson | FSU-925 | |
| High-Speed Oscilloscope | Agilent | DS09404A | |
| 2 x Motorized Translation Stage with Controller | Thorlabs | MTS25-Z8E | |
| Single Mode Optical Fiber, 600-800 nm, Ø125 μm Cladding | Thorlabs | SM600 | |
| Real-Time Electrical Spectrum Analyzer | Tektronix | RSA3408B | |
| Optical Spectrum Analyzer | Agilent | 70951A | |
| 632.5 – 637 nm Tunable Laser | New Focus | TLB-6304 | |
| Filtration Pump | KNF labs | ||
| Ultrasonics Cleaner | Crest Ultrasonics | Powersonic 1100D | |
| Mini Vortexer | VWR | VM-3000 | |
| Centrifuge | Beckman Coulter | Microfuge 22R |
Referências
- Vahala, K. J. Optical microcavities. Nature. 424 (6950), 839-846 (2003).
- Lu, T., et al. High sensitivity nanoparticle detection using optical microcavities. PNAS. 108 (15), 5976-5979 (2011).
- Vollmer, F., Arnold, S. Whispering-gallery-mode biosensing: label-free detection down to single molecules. Nat. Methods. 5 (7), 591-596 (2008).
- Vollmer, F., Braun, D., Libchaber, A., Khoshsima, M., Teraoka, I., Arnold, S. Protein detection by optical shift of a resonant microcavity. Appl. Phys. Lett. 80 (21), 4057-4059 (2002).
- Sun, Y., Fan, X. Optical ring resonators for biochemical and chemical sensing. Anal. Bioanal. Chem. 399 (1), 205-211 (2011).
- Shopova, S. I., Rajmangal, R., Nishida, Y., Arnold, S. Ultrasensitive nanoparticle detection using a portable whispering gallery mode biosensor driven by a periodically poled lithium-niobate frequency doubled distributed feedback laser. Rev. Sci. Instrum. 81 (10), 103-110 (2010).
- Santiago-Cordoba, M. A., Boriskina, S. V., Vollmer, F., Demirel, M. C. Nanoparticle-based protein detection by optical shift of a resonant microcavity. Appl. Phys. Lett. 99 (7), 073701 (2011).
- Swaim, J. D., Knittel, J., Bowen, W. P. Detection limits in whispering gallery biosensors with plasmonic enhancement. Appl. Phys. Lett. 99 (24), 243109 (2011).
- Gorodetsky, M. L., Pryamikov, A. D., Ilchenko, V. S. Rayleigh scattering in high-Q microspheres. J. Opt. Soc. Am. B. 17 (6), 1051-1057 (2000).
- Lu, T., Su, J., Fraser, S., Vahala, K. J. Split frequency sensing methods and systems. Patent granted on. , (2013).
- Zhu, J., et al. On-chip single nanoparticle detection and sizing by mode splitting in an ultrahigh-Q microresonator. Nat. Photonics. 4 (1), 46-49 (2010).
- Shopova, S. I., Rajmangal, R., Nishida, Y., Arnold, S. Ultrasensitive nanoparticle using a portable whispering gallery mode biosensor driven by a periodically poled lithium-niobate frequency doubled distributed feedback laser. Rev. Sci. Instrum. 81 (10), (2010).
- Cai, M., Painter, O., Vahala, K. J. Observation of critical coupling in a fiber taper to a silica-microsphere whispering-gallery mode system. Phys. Rev. Lett. 85 (1), 74-77 (2000).
- Li, J., Lee, H., Yang, K. Y., Vahala, K. J. Sideband spectroscopy and dispersion measurement in microcavities. Opt. Express. 20 (24), 26337-26344 (2012).
- Chow, J. H., et al. Critical coupling control of a microresonator by laser amplitude modulation. Opt Express. 20 (11), 12622-12630 (2012).
- Swaim, J. D., Knittel, J., Bowen, W. P. Detection of nanoparticles with a frequency locked whispering gallery mode microresonator. Appl. Phys. Lett. 102 (18), (2013).
- Knittel, J., Chow, J. H., Gray, M. B., Taylor, M. A., Bowen, W. P. Ultrasensitive real-time measurement of dissipation and dispersion in a whispering-gallery mode microresonator. Opt. Lett. 38 (11), 1915-1917 (2013).
- Shopova, S. I., Rajmangal, R., Holler, S., Arnold, S. Plasmonic enhancement of a whispering-gallery-mode biosensor for single nanoparticle detection. Appl. Phys. Lett. 98 (24), (2011).
- Santiago-Cordoba, M. A., Boriskina, S. V., Vollmer, F., Demirel, M. C. Nanoparticle-based protein detection by optical shift of a resonant microcavity. Appl. Phys. Lett. 99 (7), (2011).
