ما هي الفوتونيات الميكروية النانوية؟

يدرس علم الفوتونيات الميكروية النانوية بشكل أساسي قانون التفاعل بين الضوء والمادة على المستويين الميكروي والنانوي، وتطبيقاته في توليد الضوء ونقله وتنظيمه وكشفه واستشعاره. ويمكن لأجهزة الفوتونيات الميكروية النانوية ذات الأبعاد دون الطول الموجي أن تُحسّن بشكل فعّال درجة تكامل الفوتونات، ومن المتوقع دمج الأجهزة الفوتونية في رقائق بصرية صغيرة تُشبه الرقائق الإلكترونية. وتُعدّ البلازمونيات السطحية النانوية مجالًا جديدًا ضمن الفوتونيات الميكروية النانوية، حيث تدرس بشكل أساسي التفاعل بين الضوء والمادة في الهياكل النانوية المعدنية. وتتميز هذه التقنية بصغر حجمها وسرعتها العالية وتجاوزها لحدود الحيود التقليدية. ويُشكّل هيكل الموجه النانوي البلازمي، الذي يتميز بتعزيز جيد للمجال الموضعي وخصائص ترشيح رنيني ممتازة، أساسًا للمرشحات النانوية، ومضاعفات تقسيم الطول الموجي، والمفاتيح الضوئية، والليزر، وغيرها من الأجهزة البصرية الميكروية النانوية. وتعمل التجاويف الضوئية الدقيقة على حصر الضوء في مناطق متناهية الصغر، مما يُعزز بشكل كبير التفاعل بين الضوء والمادة. لذا، يُعدّ التجويف الضوئي الدقيق ذو عامل الجودة العالي وسيلة مهمة للاستشعار والكشف عالي الحساسية.

تجويف دقيق WGM

في السنوات الأخيرة، حظيت التجاويف الضوئية الدقيقة باهتمام واسع النطاق نظرًا لإمكانياتها التطبيقية الكبيرة وأهميتها العلمية. تتكون هذه التجاويف بشكل أساسي من الكرات المجهرية والأعمدة المجهرية والحلقات المجهرية وغيرها من الأشكال الهندسية. وهي نوع من الرنانات الضوئية التي تعتمد على الشكل. تنعكس الموجات الضوئية داخل التجاويف الدقيقة انعكاسًا كاملًا عند سطحها، مما ينتج عنه نمط رنين يُسمى نمط المعرض الهمسي (WGM). بالمقارنة مع الرنانات الضوئية الأخرى، تتميز الرنانات الدقيقة بخصائص مثل قيمة Q عالية (أكبر من 10⁶)، وحجم نمط منخفض، وحجم صغير، وسهولة في التكامل، وغيرها، وقد تم تطبيقها في الاستشعار الكيميائي الحيوي عالي الحساسية، وليزر ذي عتبة منخفضة للغاية، والتأثيرات غير الخطية. يهدف بحثنا إلى اكتشاف ودراسة خصائص الهياكل والأشكال المختلفة للتجاويف الدقيقة، وتطبيق هذه الخصائص الجديدة. تشمل اتجاهات البحث الرئيسية: دراسة الخصائص البصرية لتجويف WGM، ودراسة تصنيع التجاويف الدقيقة، ودراسة تطبيقاتها، وغيرها.

الاستشعار الكيميائي الحيوي باستخدام تجويف دقيق بتقنية WGM

في التجربة، استُخدم نمط الرنين عالي الرتبة M1 (الشكل 1(أ)) من الرتبة الرابعة لقياس الاستشعار. وبالمقارنة مع النمط منخفض الرتبة، تحسّنت حساسية النمط عالي الرتبة بشكل كبير (الشكل 1(ب)).

الشكل 1. نمط الرنين (أ) لتجويف الشعيرات الدموية الدقيقة وحساسية معامل الانكسار المقابلة له (ب)

مرشح بصري قابل للضبط ذو قيمة Q عالية

أولًا، يتم سحب التجويف الأسطواني الدقيق ذي التغير الشعاعي البطيء، ثم يُمكن ضبط الطول الموجي عن طريق تحريك موضع الاقتران ميكانيكيًا بناءً على مبدأ حجم الشكل، وذلك نظرًا لطول الموجة الرنانة (الشكل 2 (أ)). يُوضح الشكلان 2 (ب) و(ج) أداء الضبط وعرض نطاق الترشيح. إضافةً إلى ذلك، يُمكن للجهاز تحقيق استشعار الإزاحة البصرية بدقة دون النانومتر.

الشكل 2. رسم تخطيطي لمرشح بصري قابل للضبط (أ)، وأداء قابل للضبط (ب)، وعرض نطاق المرشح (ج)

رنان قطرات ميكروفلويدي WGM

في الشريحة الميكروفلويدية، وخاصةً بالنسبة للقطرة في الزيت (قطرة في الزيت)، وبسبب خصائص التوتر السطحي، فإن القطرات التي يتراوح قطرها بين عشرات ومئات الميكرونات، ستعلق في الزيت لتشكل كرة شبه مثالية. ومن خلال تحسين معامل الانكسار، تصبح القطرة نفسها رنانًا 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 استخدام هذا النوع من القطرات إلا في وضع الإثارة الجانبية.