Implementierung eines Referenz-Interferometer für Nanodetection
Summary
Eine Referenz-Interferometer-Technik, die ausgelegt ist, um unerwünschte Laser Jitterrauschen für nanodetection entfernen, wird für die Sondierung eine ultra-hohe Güte Microcavity genutzt. Anleitungen für die Montage, Einrichtung und Datenerfassung vorgesehen, neben der Messung für die Angabe der Hohlraum Qualitätsfaktor.
Abstract
Ein thermisch und mechanisch stabilisiert Faser-Interferometer zur Untersuchung ultra-hohen Qualitätsfaktor Mikrohohlräume geeignet ist, ausgebildet. Nach Prüfung ihrer freien Spektralbereich (FSR) ist das Modul parallel zu einer Fasertaper-Mikroresonator-System gesetzt und dann durch Isolierung und Beseitigung von zufälligen Verschiebungen der Laserfrequenz (dh Laser-Jitter-Rauschen) kalibriert. Um den Kegel Mikrokavität Übergang zu realisieren und um die optische Leistung, die an den Resonator übertragen wird, zu maximieren, ist eine Single-Mode-Lichtwellenleiterfaser gezogen wird. Lösungen, enthaltend Polystyrol Nanokügelchen werden dann hergestellt und der Mikrokavität um die Fähigkeit des Systems die Bindung an die Oberfläche der Mikrohohlraum zu erfassen zeigen geflogen. Die Daten sind über adaptive Kurvenanpassung, die für hochauflösende Messungen der Qualitätsfaktor sowie die Aufzeichnung der zeitabhängigen Parameter wie Resonanzwellenlänge und Split-Frequenzverschiebungen können nachbearbeitet werden. Durch die sorgfältigeInspektionsschritte in der Zeitbereichsantwort und Verschieben in dem Frequenzbereichsantwort kann dieses Instrument diskreten Bindungsereignisse zu quantifizieren.
Introduction
Forschungsinteresse hat sich auf den Einsatz von Whispering-Gallery-Mode (WGM) Mikrohohlräume zum Zweck der nanodetection und Biosensorik 08.01 gestiegen. Dies beinhaltet ultra-hohen Qualitätsfaktor (Q) optische Hohlräume, die kompetent bei der Identifizierung winzige biologische Partikel, bis auf die Single-Protein-Ebene 2 sind. Das heißt, die Überwachung Verschiebungen in Resonanz und Split-Frequenz für die Übertragung mit außergewöhnlichen Empfindlichkeit 9-11 können durch den Hohlraum der Entbindung von Lichtenergie in einer kleinen Modenvolumen aktiviert sein. Variationen in den optischen Eigenschaften des Resonators sind die Ursache dieser Verschiebungen, die ihrerseits stammen von der Bindungs diskreter Moleküle oder Nanopartikel. Eine weniger ausgeklügelte Beispiel einer dreidimensionalen Struktur WGM für solche Anwendungen ist ein Siliciumdioxid Mikrokugel, die mit einer nahezu atomar glatte Oberfläche durch einfaches Abtragen einer gezogenen optischen Faser unter Verwendung eines CO 2-Lasers hergestellt werden kann. Wie bekannt ist,hohe Q-Faktoren in der Größenordnung von 10 9 1 erreicht werden.
Die Resonanzfrequenz einer Mikrokavität wird üblicherweise durch Abtasten der optischen Frequenz einer abstimmbaren Laserquelle, während gleichzeitig photo Erfassen der optischen Übertragung, die auf einem Oszilloskop erfasst wird überwacht. Ein inhärenter Nachteil dieser Technik ist die Unsicherheit, die mit der Lage der Tropfen in dem Getriebe, das von schwankenden Laserwellenlänge oder Laser-Jitter entsteht verbunden. Um diese Komplikation zu überwinden, kann ein Interferometer neben einem Mikroresonator verwendet werden, um ein Referenzsignal, um den Laser-Jitter abzubrechen und erhöhen die Empfindlichkeit beobachtet 2 zu erzeugen. Der Referenzstrahl, der durch das Interferometer (mit einem freien Spektralbereich FSR oder groß genug, um den Laser aus jittering Vergangenheit ein FSR Frequenzabstand während der Messung zu verhindern) und der Erfassungsstrahl, int passiert: Hell Eingang ist in zwei optische Pfade aufgeteilteracts mit der WGM Mikroresonator. Diese Funktion optimiert die Experimente im Vergleich zu fortgeschrittenen Konfigurationen, wie die von WGM Erkundung BRINGT die Kombination einer Distributed-Feedback-Laser (DFB) und periodisch gepolten Lithiumniobat (PPLN) Doubler 12. In dieser Veröffentlichung wird ein Interferometer Technik für ultra-hohen Qualitätsfaktor Microcavity basierte Überwachung von nanoskaligen Frage 3 beschrieben. Die Setup-und Datenerfassungsverfahren, die erforderlich sind, um dies zu erreichen, werden skizziert, die zeigt, wie Hohlraum Qualitätsfaktor kann durch Referenz Interferometrie ermittelt werden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Das aktuelle Setup ist in der Lage eine Vielzahl von Sondierungs WGM Mikrohohlräume, wie Mikroplatten, Mikrosphären, und Mikrotoroide, ohne jede Regelung für die Sonde Laserquelle benötigen. Eine beträchtliche Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) zur Erkennung kann durch den Schrittschalt Verbesserungen durch Weglänge und partikelinduzierte Rückstreuungseffekte vorgesehen erhalten werden. Angesichts der Einfachheit und der geringen Kosten des Referenz-Interferometers selbst, ist diese Methode eine effiziente Technik z…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren möchten Xuan Du für den Bau der Konzeptdarstellung der 1 danken. Diese Arbeit wurde durch Zuschüsse aus dem Natural Science and Engineering Research Council (NSERC) von Kanada finanziert.
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 |
References
- 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).
