Implementação de um interferômetro de Referência para Nanodetection
Summary
Uma técnica interferômetro de referência, que é projetado para remover indesejável ruído jitter laser para nanodetection, é utilizado para sondar um fator microcavidade ultra-alta qualidade. Instruções de montagem, instalação e aquisição de dados são fornecidos, juntamente com o processo de medição para especificar o fator de qualidade da cavidade.
Abstract
Um interferômetro de fibra térmica e mecanicamente estabilizado adequado para examinar microcavidades fator de ultra-alta qualidade é formado. Depois de avaliar a sua faixa espectral livre (FSR), o módulo é colocado em paralelo com um sistema de cone-microcavidade fibra e, em seguida, calibrados por meio de isolar e eliminar mudanças aleatórias na frequência do laser (ou seja, a laser ruído jitter). Para realizar a junção afunilada-microcavidade e para maximizar a potência óptica que é transferida para o ressonador, um único modo de guia de ondas de fibra óptica é puxado. Soluções contendo nanobeads poliestireno são então preparados e transportados para o microcavidade, a fim de demonstrar a capacidade do sistema para detectar ligação à superfície da microcavidade. Os dados são pós-processados via curva adaptável encaixe, o que permite medições de alta resolução do fator de qualidade, bem como a plotagem dos parâmetros dependentes do tempo, tais como comprimento de onda ressonante e freqüência divisão turnos. Com cuidadoinspecionando passos na resposta no domínio do tempo e mudança na resposta no domínio da freqüência, este instrumento pode quantificar eventos de ligação discretos.
Introduction
Interesse de pesquisa tem aumentado significativamente no uso de modo sussurrando-gallery (WGM) microcavidades com o propósito de nanodetection e Biossensoriais 1-8. Trata-se de fator de qualidade ultra-alta (Q) cavidades ópticas que são proficientes na identificação de partículas biológicas minúsculas, até o nível de proteína único 2. Ou seja, monitorar mudanças na ressonância e frequência dividida para transmissão com extraordinária sensibilidade 9-11 pode ser ativado por confinamento da cavidade de energia da luz dentro de um pequeno volume de modo. As variações nas propriedades ópticas de um ressonador são a causa desses deslocamentos, que por sua vez origina a partir da ligação de moléculas discretas ou nanopartículas. Um exemplo menos sofisticada de uma estrutura WGM tridimensional para tais aplicações é uma microesfera de sílica, que pode ser fabricada com uma superfície lisa por perto atomicamente simplesmente ablação de uma fibra óptica desenhados usando um laser de CO 2. Como é sabido,High Q-factores da ordem de 10 9 pode ser atingido 1.
A frequência ressonante de uma microcavidade é convencionalmente monitorizado pela digitalização da frequência óptica de uma fonte de laser sintonizável, enquanto, simultaneamente, foto-detecção da transmissão óptica que é capturado num osciloscópio. Uma desvantagem inerente desta técnica é a incerteza associada com a localização das gotas na transmissão que surge da flutuação de comprimento de onda do laser ou jitter laser. Para superar esta complicação, um interferómetro pode ser usado juntamente com uma microcavidade para produzir um sinal de referência para cancelar o jitter de laser e aumentar a sensibilidade observada 2. Entrada de luz é dividida em dois caminhos ópticos: o feixe de referência que passa através do interferómetro (com uma gama espectral livre ou FSR grande o suficiente para evitar que o laser de jittering espaçamento uma frequência FSR passado durante a medição) e o feixe de detecção que interacts com o microresonator WGM. Este recurso agiliza experimentos em comparação com configurações mais avançadas, tais como a de WGM detecção implica a combinação de um laser de realimentação distribuída (DFB) e niobato de lítio periodicamente poled (PPLN) doubler 12. Nesta publicação, uma técnica interferômetro para monitoramento baseado fator ultra-alta qualidade microcavidade da matéria em nanoescala é descrito 3. Os procedimentos de configuração e aquisição de dados que são necessários para alcançar este objetivo estão descritas, ilustrando como fator de qualidade da cavidade pode ser determinado através de interferometria de referência.
Protocol
Representative Results
Discussion
Esta configuração atual é capaz de sondar uma variedade de microcavidades WGM, como microdiscos, microesferas e microtoroids, sem necessidade de qualquer controle de feedback para a fonte de laser da sonda. Uma proporção considerável de sinal-para-ruído (SNR) para a detecção pode ser obtida, devido às melhorias deslocamento passo fornecidas por comprimento de percurso e de efeitos induzidos de retroespalhamento por partículas. Dada a simplicidade eo baixo custo do próprio interferômetro de referência, este…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores gostariam de agradecer a Xuan Du para a construção do diagrama conceitual da Figura 1. Este trabalho foi financiado por subvenções do Conselho de Pesquisa de Ciências Naturais e Engenharia (NSERC) do Canadá.
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).
