液芯微腔的微粒计数及传感研究

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回音壁模式(Whispering gallery mode,WGM)微腔具有Q值高和模式体积小的特点,使得其在传感具有很好的应用潜力。目前由于低阶模只能带来有限的光与物质作用,微腔还无法实现大尺寸(>1μm)微粒探测。然而,由于液芯微腔的高阶共振模式具备液芯能量占比更大、渗透深度更深、光与物质作用更强等优点,更适合作为光与物质相互作用的平台。为此,我们将研究此液芯微腔在微粒计数和传感等方面的应用。本文首先提出了一种基于微腔共振产生的光脉冲进行微粒计数的方法,对基于液芯微腔的微粒计数进行了研究。我们采用细锥形光纤激发液芯的毛细管微腔,产生传感灵敏度很高的高阶法诺共振。当微粒(PS微球或SAP碎珠)经过回音壁模式时,光与物质的相互作用导致法诺共振谱的移动,从而将固定波长的连续入射光调制成脉冲光。与库尔特电脉冲或者散射光脉冲等类似,此共振光脉冲同样可以实现粒子计数。此外,还对光脉冲具体的形状产生原因进行了分析。理论和实验都验证了此方法的可行性。最后根据实验得到的谱图特点,提出了如何辨别为目标微粒的判据,方便进行计数。本文提出的计数方法无需复杂的电路或者光学器件,并且稳定、高效,对于不同折射率的微粒均能有效地计数,在微粒检测方面具有非常好的应用前景。另外,液芯微腔还可以作为高灵敏度的温度传感器和液流流速传感器。首先采用超细锥形光纤激发液芯微腔中高阶法诺共振,利用热光系数较高的乙醇作为液芯材料,实现了高灵敏度的温度传感。该温度传感器可以实现灵敏度为-0.402nm/℃,探测极限为0.026℃的高灵敏度温度传感器。基于此温度传感理论,还可以进一步实现液体流速传感。实验中,同样使用毛细管作为液芯微腔,利用注射泵改变液流速度,实现了一种分段式的流速传感。当流速较低时,采用模式蓝移区进行传感,灵敏度每μL/min最高为-0.045nm;当流速较高时,采用模式红移区进行传感,灵敏度每μL/min最高为0.013nm。
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