Forskare från University of Arizona har uppnått fjärrfältskoppling av ljus till mikrotoroider med ultrahög kvalitet med en enda objektivlins. Detta skulle kunna utgöra grunden för en helt on-chip multiplexad mikrotoroidavkänningsplattform.

Uppsatsen är publicerad i tidskriften Light:Science &Applications .

Snabba och känsliga etikettfria sensorer behövs för många biokemiska tillämpningar inklusive tidig diagnostik och prognostik, övervakning av mat- och vattenkvalitet, kemisk hotavkänning och tidig upptäckt av farliga gaser. Optiska mikrotoroidresonatorer i Whispering Gallery Mode (WGM) är en av de mest känsliga biokemiska sensorerna som finns, med förmåga att detektera en enda molekyl.

Ljus kopplas vanligtvis in i dessa resonatorer med hjälp av en avsmalnande optisk fiber, som lätt bryts sönder, utsätts för vibrationsbrus och tidskrävande att tillverka, vilket kräver skrymmande och kostsam instrumentering såväl som specialiserad expertis. Användningen av avsmalnande optiska fibrer är huvudbarriären för att lansera dessa sensorer utanför laboratoriet.

Ledd av prof. Judith Su, har en forskargrupp från Wyant College of Optical Sciences och Institutionen för biomedicinsk teknik vid University of Arizona visat ett sätt att eliminera behovet av en avsmalnande fiber genom att utföra fjärrexcitation med ett SNR> 26 dB. Detta gjordes genom att använda en enda objektivlins för resonatorexcitering, övervakning av resonansvåglängden och avbildning.

Systemet är mer kompakt, kostnadseffektivt och stabilt än koniska fiberbaserade kopplingar. Den komplicerade processen att dra en avsmalnande fiber behövs inte längre. Ultrahöga kvalitetsfaktorer (> 10 ⁸ ) uppnåddes med användning av mikrotoroider med en diameter på 100 mikron. Sus team visade att det var möjligt att förbättra fjärrfältskopplingens effektivitet genom att använda en mycket divergerande laserstråle och genom att skanna fjärrfältsstrålen var det möjligt att studera den elektriska fältprofilen inuti resonatorn.

Att uppnå ett fjärrfältsexcitationssystem gör helt on-chip mikrotoroidresonatoravkänningsplattformar möjliga för fältanvändning. Sus grupp har tidigare visat att mikrotoroidresonatorer kan upptäcka farliga gaser med låga delar per biljon, och därför kan ett system för tidig upptäckt av farlig gas för praktisk användning snart utvecklas. Avkänningsprestandan för detta system verifierades genom ett temperaturavkänningsexperiment.

Parallellt arbetar Sus grupp med att anpassa systemet för biosensing-detektering i vattenhaltiga miljöer samt att multiplexera sensorerna för samtidig multi-target-detektering.

"Vi tror att det här fjärrfältskopplingssystemet kan användas för spektroskopi och biosensing, och är grunden för en helt on-chip mikrotoroidresonatoravkänningsplattform. Detta tillvägagångssätt har gjort våra experiment mycket enklare. Vi strävar efter att miniatyrisera vårt system för att gör det mer bekvämt för praktiskt bruk", sa Sartanee Suebka, första författare till tidningen.