Whispering-galleri mikrolasrar kan räkna och mäta syntetiska eller biologiska partiklar i nanoskala. Som denna konceptuella illustration visar, en partikel stör det lasrande "läget" att delas upp i två frekvenser (visas här som två olika färger) och frekvensdelningen fungerar som en linjal som gör att partikeln kan mätas. Insättningen längst upp till höger visar en partikel som landar på mikrolasern (en torus som stöds av en piedestal). Lina He, en doktorand i el- och systemteknik vid Washington University i St. Louis, och hennes medarbetare visade att mikrolasrarna kan detektera partiklar med en radie på 10 nanometer. Deras upplösningsgräns är ungefär en nanometer. (J. ZHU, L. HE, S. K. OZDEMIR, OCH L. YANG/WUSTL)
(PhysOrg.com) -- En mikrolaser som inte är större än ett nålstick kan noggrant upptäcka och räkna enskilda virus, partiklarna som startar molnbildningen eller de som förorenar luften vi andas.
En liten munkformad laser är det senaste underverket inom mikrominiatyrisering av kisel, men istället för att manipulera bitar upptäcker den mycket små partiklar. Små partiklar spelar en stor – och till stor del obemärkt – roll i vår vardag. Viruspartiklar gör oss sjuka, saltpartiklar utlöser molnbildning, och sotpartiklar sållar djupt ner i våra lungor och gör det svårare att andas.
Sensorn tillhör en kategori som kallas viskande galleriresonatorer, som fungerar som det berömda viskningsgalleriet i St. Paul's Cathedral i London, där någon på ena sidan av kupolen kan höra ett meddelande som talas till väggen av någon på andra sidan. Till skillnad från kupolen, som har resonanser eller sweet spots i det hörbara området, sensorn resonerar vid ljusfrekvenser.
Ljus som färdas runt mikrolasern störs av en partikel som landar på ringen, ändra ljusets frekvens. Ringen kan räkna touch-down av så många som 800 nanopartiklar innan signalerna börjar försvinna i bruset. Genom att spännande mer än ett läge i ringen, forskare kan dubbelkontrollera räkningens riktighet. Och genom att ändra "vinstmediet, ” de kan anpassa sensorn för vatten snarare än luft.
Lan Yang, PhD, biträdande professor i el- och systemteknik vid Washington University i St. Louis som leder teamet som tillverkade den nya sensorn, säger att det redan finns ett livligt intresse för dess kommersialisering inom områden som sträcker sig från biologi till aerosolvetenskap. Sensorn beskrivs och karakteriseras i onlineupplagan av Nature Nanotechnology den 26 juni.
Viskande galleriresonator blir mikrolaser
En viskande galleriresonator stöder "frekvensdegenererade lägen" (lägen, eller mönster av excitation i ringen, med samma frekvens, en går medurs och den andra moturs runt ringen.
Lägesfälten har "evanescenta svansar" som penetrerar ringens yta och sonderar det omgivande mediet. När en partikel landar på en av "heta fläckarna" sprider den energi från ett av lägena till det andra, och lägena antar något olika resonansfrekvenser. Detta kallas lägesdelning.
I ett tidigare arbete, Yang-teamet använde lägesdelning i en enkel glasring som fungerade som en vågledare för ljus kopplat in i den utifrån. Eftersom ringen var passiv, den externa lasern måste vara en dyr avstämbar laser så att den kunde skanna ett frekvensområde och leta efter ringens resonanser för att mäta lägesdelning. (För mer information om denna sensor, se "Liten sensor mäter nanopartiklar.")
Den nya sensorn skiljer sig från tidigare viskande galleriresonatorer genom att den i sig är en miniatyrlaser snarare än resonanshåligheten hos en extern laser.
Den nya sensorn är också av glas men glas spätt med atomer av sällsynta jordartsmetaller som fungerar som ett "förstärkningsmedium." Glaset är dopat med sällsynta jordartsmetaller och när en extern ljuskälla förstärker tillräckligt många av dem till ett exciterat tillstånd, ringen börjar släppa vid sin egen föredragna frekvens.
När en partikel landar på mikrolasern, en enda lasrlinje delas upp i två lite olika frekvenser.
Ett enkelt sätt att mäta frekvensdelningen är att blanda de delade laserlägena i en fotodetektor, som ger en "slagfrekvens" som motsvarar frekvensskillnaden.
Arrays av mikrolasrar (vänster) är utskurna från sol-gel kiseldioxidfilmer på kiselwafers med fotolitografi, etsnings- och återflödessteg. När ljus kopplas in i en mikrolaser genom en whisker-tunn optisk fiber (höger) sällsynta jordartsmetaller (i detta fall erbium), upphetsad av pumpljuset, börja fluorescera (höger). Eftersom en del av ljuset penetrerar glaset, laserlägena störs av partiklar som landar på ringen. (J. ZHU, L. HE, S.K. OZDEMIR, OCH L. YANG/ WUSTL)
"De små sensorerna är massproducerade med sol-gel-metoden på silikonwafer, och det är lätt att byta förstärkningsmedium, säger Lina He, en doktorand och första författare till tidningen. "Resonatorerna görs genom att blanda de sällsynta jordartsmetalljonerna i en lösning av tetraetoxisilan, vatten och saltsyra. Lösningen upphettas tills den blir trögflytande och spinnbeläggs sedan på en kiselskiva och glödgas för att avlägsna lösningsmedel och fullborda övergången till amorft glas. Den tunna filmen av glas etsas sedan för att skapa kiselskivor som stöds undertill av kiselpelare. Som ett sista steg, de grova kiselskivorna återflödas till släta toroider genom laserglödgning."
Aktiv sensor överträffar passiv
"Ljuset som används för avkänning genereras inuti själva resonatorn, och så det är renare än ljuset i den passiva sensorn, ” säger Yang ”När ljuset inte är så rent, du kanske inte kan se små frekvensförändringar. Men den aktiva sensorn träffar en frekvens - den har en riktigt smal linjebredd - och därför är den mycket känsligare."
Mikrolasern är storleksordningar känsligare än den passiva resonatorn, hon säger. Dess effektiva upplösningsgräns är cirka en nanometer. En nanometer är en meter, vad en kula är för jorden.
Dessutom, eftersom lasern nu är i ringen snarare än kopplad till den, hela systemet är enklare och mer självständigt. "Nu behöver du bara en ljuskälla för att excitera det optiska mediet, säger Yang, "och du kan använda en billig laserdiod för det istället för en dyr avstämbar laser."
Detekterar många partiklar
Effekten av en partikel på ett laserläge beror på partikelns "polariserbarhet, ” som är en funktion av dess storlek och brytningsindex. För att täcka möjligheterna, Washington University-teamet testade mikrolaserns prestanda med nanopartiklar av olika storlekar gjorda av olika material, inklusive polystyren (packa jordnötter), virioner (viruspartiklar) och guld.
När partiklar kommer in i mikrolaserns "modvolym" en efter en, forskarna kan se ett diskret hopp uppåt eller nedåt i taktfrekvensen. Varje diskret hopp signalerar bindningen av en partikel på ringen, och antalet hopp återspeglar antalet partiklar.
Eftersom "resonatorfältet" fångar partiklarna på resonatorn, en gång landat, de släpper sällan. Men teamet fann att de kunde räkna många partiklar innan förlusterna som inducerades av partiklarna gjorde laserns linjebredd så bred att de inte kunde upptäcka förändringar i frekvensdelning på grund av den senaste ankomsten.
Till exempel, de kunde upptäcka och räkna så många som 816 guldnanopartiklar med samma laserläge.
"När linjebreddningen är jämförbar med förändringen i splittringen, då är du klar, säger Yang. "Men hela resonatorn är tillverkad på chipet, så du kan bara gå vidare till nästa resonator om det behövs."
Dubbla upp för noggrannhet
Mikrolasern kan stödja mer än ett laserläge åt gången. "Genom att kontrollera överlappningen av pumpljuset med förstärkningsmediet, du kan excitera mer än en laserlinje, säger Sahin Kaya Ozdemir, PhD, en forskningsassistent och medförfattare. "Så när en partikel landar på ringen, varje laserlinje kommer att delas i två, och generera en slagfrekvens. Så du kommer att ha två slagfrekvenser istället för en."
Det är en fördel, han förklarar, eftersom slagfrekvensen delvis beror på var partikeln landar på ringen. Om det bara finns en laserlinje och partikeln faller mellan "hot spots" kanske den inte detekteras. Den andra taktfrekvensen förhindrar dessa "falska negativa, ” som säkerställer att varje partikel producerar en detekterbar slagfrekvens.
Upptäcka partiklar i vatten
Mikrolasrarna avsedda att känna av partiklar i luft hade dopats med erbium, ett sällsynt jordartselement vars optiska egenskaper är väl matchade med luftens. I ett sista experiment utformat för att se om denna teknik kan användas för att känna av partiklar i vatten eller blod, teamet tillverkade sensorer som var dopade med ytterbium snarare än erbium. Ytterbium laser vid våglängder med låg absorption av vatten.
Yangs team har redan börjat arbeta med att använda den förbättrade känsligheten som mikrolasern ger för att studera olika problem. När det gäller applikationer, "den kortsiktiga användningen kommer att vara övervakning av dynamiska beteenden hos partiklar som svar på miljömässiga och kemiska förändringar vid enstaka partikelupplösning, säger Yang.
Nästa steg, teamet ser är att konstruera ytan på dessa små mikrolasrar för att detektera DNA och enskilda biologiska molekyler. Om DNA:t är märkt med konstruerade nanopartiklar, mikrolasersensorn kan räkna enskilda DNA-molekyler eller fragment av molekyler.
När man lyssnar på Yang är det svårt att undkomma intrycket av att man för första gången hör om en häpnadsväckande enhet som en dag kommer att vara lika allmänt förekommande – och förmodligen lika underskattad – som de logiska grindarna i våra mikrovågor, mobiltelefoner och bilar.
