Implementación de un interferómetro de referencia para Nanodetection
Summary
Una técnica de interferómetro de referencia, que está diseñado para eliminar el ruido de fluctuación de fase láser indeseable para nanodetection, se utiliza para sondear un factor microcavidad de ultra-alta calidad. Instrucciones para el ensamblaje, la instalación y adquisición de datos se proporcionan, junto con el proceso de medida para especificar el factor de calidad de la cavidad.
Abstract
Un interferómetro de fibra térmica y mecánicamente estabilizado adecuado para examinar microcavidades factor de ultra alta calidad está de moda. Después de la evaluación de su rango espectral libre (FSR), el módulo se pone en paralelo con un sistema de cono-microcavidad fibra y a continuación se calibró a través de aislamiento y la eliminación de los cambios aleatorios en la frecuencia del láser (es decir, el ruido de fluctuación de fase láser). Para darse cuenta de la unión cónica-microcavidad y para maximizar la potencia óptica que se transfiere al resonador, un solo modo de guía de ondas de fibra óptica se tira. Las soluciones que contienen nanobeads de poliestireno se preparan entonces y trasladados a la microcavidad con el fin de demostrar la capacidad del sistema para detectar la unión a la superficie de la microcavidad. Los datos son post-procesada a través de la curva de ajuste adaptativo, que permite mediciones de alta resolución de el factor de calidad, así como el trazado de parámetros dependientes del tiempo, como los cambios de longitud de onda de resonancia y frecuencia dividida. Por cuidadoinspección de pasos en la respuesta en el dominio y el cambio en la respuesta de frecuencia de dominio, este instrumento puede cuantificar eventos de unión discretos.
Introduction
Intereses de investigación ha aumentado de manera significativa en el uso del modo de susurro-galería (WGM) microcavidades con el propósito de nanodetection y biosensor 1-8. Esto implica el factor de calidad ultra alta (Q) cavidades ópticas que son competentes en la identificación de partículas biológicas minúsculas, hasta el nivel de la proteína sola 2. Es decir, el seguimiento de los cambios en la resonancia y la frecuencia de división para la transmisión con una sensibilidad extraordinaria 9-11 se puede activar por el confinamiento de la cavidad de la energía de la luz dentro de un volumen pequeño modo. Las variaciones en las propiedades ópticas de un resonador son la causa de estos cambios, que a su vez se originan a partir de la unión de moléculas o nanopartículas discretas. Un ejemplo menos sofisticada de una estructura WGM tridimensional para tales aplicaciones es una microesfera de sílice, que puede ser fabricado con una superficie atómicamente lisa cerca simplemente la ablación de una fibra óptica dibujada usando un láser de CO 2. Como es sabido,factores Q elevados en el orden de 10 9 pueden ser alcanzados 1.
La frecuencia de resonancia de un microcavidad se controla convencionalmente mediante el escaneo de la frecuencia óptica de una fuente de láser sintonizable, mientras que simultáneamente la foto-detección de la transmisión óptica que se captura en un osciloscopio. Un inconveniente inherente de esta técnica es la incertidumbre asociada con la ubicación de las gotas en la transmisión que surge de las fluctuaciones de longitud de onda de láser o de fluctuación de fase láser. Para superar esta complicación, un interferómetro se puede utilizar junto a un microcavidad para producir una señal de referencia para cancelar la fluctuación de fase láser y aumentar la sensibilidad observada 2. De entrada de luz se divide en dos trayectorias ópticas: El haz de referencia que pasa a través del interferómetro (con un rango espectral libre FSR o lo suficientemente grande como para impedir que el láser jittering pasado espaciado una frecuencia FSR durante la medición) y el haz de detección que interacts con el microrresonador WGM. Esta característica optimiza experimentos en comparación con configuraciones más avanzadas, como la de detección de WGM implique la combinación de un láser de realimentación distribuida (DFB) y niobato de litio periódicamente polarizado (PPLN) doblador 12. En esta publicación, una técnica interferómetro para la supervisión basada factor de microcavidad ultra-alta calidad de la materia a escala nanométrica se describe 3. Los procedimientos de configuración y de adquisición de datos que se requieren para lograr esto se describen, que ilustra cómo el factor de calidad de la cavidad se puede determinar a través de la interferometría de referencia.
Protocol
Representative Results
Discussion
Esta configuración actual es capaz de sondear una variedad de microcavidades WGM, tales como microdiscos, microesferas, y microtoroids, sin necesidad de ningún control de realimentación para la fuente de láser sonda. Una considerable proporción de señal a ruido (SNR) para la detección se puede conseguir debido a las mejoras de cambio de paso proporcionados por longitud de la trayectoria y los efectos de retrodispersión partículas inducida. Dada la simplicidad y el bajo coste de la propia interferómetro de refe…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores desean agradecer a Xuan Du para construir el diagrama conceptual de la figura 1. Este trabajo fue financiado por becas de la Ciencias Naturales e Ingeniería de Investigación (NSERC), de 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).
