تدرس الفوتونيات النانوية الدقيقة بشكل رئيسي قانون التفاعل بين الضوء والمادة على مستوى الميكرو والنانو، وتطبيقاته في توليد الضوء ونقله وتنظيمه وكشفه واستشعاره. يمكن لأجهزة الفوتونيات النانوية الدقيقة ذات الطول الموجي الفرعي تحسين درجة تكامل الفوتونات بشكل فعال، ومن المتوقع دمج الأجهزة الفوتونية في شريحة بصرية صغيرة تشبه الرقائق الإلكترونية. تُعد البلازمونات النانوية السطحية مجالًا جديدًا من مجالات الفوتونيات النانوية الدقيقة، وتدرس بشكل رئيسي التفاعل بين الضوء والمادة في البنى النانوية المعدنية. وتتميز هذه البلازمونات بحجمها الصغير وسرعتها العالية وقدرتها على تجاوز حد الحيود التقليدي. تُشكل بنية الدليل الموجي النانوي البلازمي، التي تتميز بخصائص جيدة لتحسين المجال المحلي وترشيح الرنين، أساس المرشحات النانوية، ومضاعفات تقسيم الطول الموجي، والمفاتيح البصرية، والليزر، وغيرها من الأجهزة البصرية النانوية الدقيقة. تحصر التجاويف الضوئية الدقيقة الضوء في مناطق دقيقة، وتعزز بشكل كبير التفاعل بين الضوء والمادة. لذلك، يُعدّ التجاويف الضوئية الدقيقة ذات عامل الجودة العالي وسيلة مهمة للاستشعار والكشف عاليي الحساسية.
تجويف WGM الصغير
في السنوات الأخيرة، حظيت التجاويف الدقيقة الضوئية باهتمام كبير نظرًا لإمكاناتها التطبيقية الواسعة وأهميتها العلمية. تتكون التجاويف الدقيقة الضوئية بشكل رئيسي من كرة دقيقة، وعمود دقيق، وحلقة دقيقة، وهندسة أخرى. وهي نوع من الرنانات الضوئية المعتمدة على الشكل. تنعكس موجات الضوء في التجاويف الدقيقة بشكل كامل على سطحها، مما ينتج عنه وضع رنين يُسمى وضع معرض الهمس (WGM). بالمقارنة مع الرنانات الضوئية الأخرى، تتميز الرنانات الدقيقة بقيمة Q عالية (أكبر من 106)، وحجم وضع منخفض، وحجم صغير، وسهولة في التكامل، وغيرها، وقد طُبقت في الاستشعار الكيميائي الحيوي عالي الحساسية، والليزر ذو العتبة المنخفضة للغاية، والفعل غير الخطي. يهدف بحثنا إلى إيجاد ودراسة خصائص الهياكل المختلفة وأشكال التجاويف الدقيقة، وتطبيق هذه الخصائص الجديدة. تشمل اتجاهات البحث الرئيسية: بحث الخصائص البصرية لتجويف WGM الدقيق، وبحث تصنيعه، وبحث تطبيقاته، وغيرها.
الاستشعار الكيميائي الحيوي لتجويف WGM الدقيق
في التجربة، استُخدم وضع WGM عالي الترتيب رباعي الرتب M1 (الشكل 1(أ)) لقياس الاستشعار. وبالمقارنة مع الوضع منخفض الترتيب، تحسّنت حساسية الوضع عالي الترتيب بشكل كبير (الشكل 1(ب)).
الشكل 1. وضع الرنين (أ) لتجويف الشعيرات الدقيقة وحساسية معامل الانكسار المقابل له (ب)
مرشح بصري قابل للضبط بقيمة Q عالية
أولاً، يُسحب التجويف الأسطواني الشعاعي المتغير ببطء، ثم يُضبط الطول الموجي بتحريك موضع الاقتران ميكانيكيًا بناءً على مبدأ حجم الشكل وطول الموجة الرنانة (الشكل 2 (أ)). يُوضح الشكلان 2 (ب) و2 (ج) الأداء القابل للضبط وعرض نطاق الترشيح. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن للجهاز تحقيق استشعار الإزاحة البصرية بدقة تصل إلى أقل من النانومتر.
الشكل 2. مخطط تخطيطي للمرشح البصري القابل للضبط (أ)، والأداء القابل للضبط (ب)، وعرض نطاق المرشح (ج)
مرنان قطرة ميكروفلويدي WGM
في رقاقة الموائع الدقيقة، وخاصةً بالنسبة للقطرة في الزيت (قطرة في الزيت)، وبسبب خصائص التوتر السطحي، فإن قطرها الذي يبلغ عشرات أو حتى مئات الميكرونات سيعلق في الزيت، مشكلاً كرة شبه مثالية. ومن خلال تحسين معامل الانكسار، تُصبح القطرة نفسها مرنانًا كرويًا مثاليًا بمعامل جودة يزيد عن 108. كما أنها تتجنب مشكلة التبخر في الزيت. أما القطرات الكبيرة نسبيًا، فستستقر على الجدران الجانبية العلوية أو السفلية بسبب اختلاف الكثافة. ولا يمكن لهذا النوع من القطرات استخدام سوى وضع الإثارة الجانبية.
وقت النشر: ٢٣ أكتوبر ٢٠٢٣