光纤耦合高Q微腔法诺谐振传感研究

Biosensing technology based on micro/nano optics promotes the development of miniature and portable biosensing system. Optical whispering-gallery-mode (WGM) resonator is full of potential in achieving highly sensitive label-free sensing of cancer biomarkers. Focusing on improvement of the sensitivity and stability of the system, we will firstly investigate the sensing mechanism of Fano lineshape. By exploiting the multimode coupling effect between the fiber modes and the WGMs, we can achieve how to produce a Fano lineshape. We will then develop the sensing mechanism by combining the characteristics of resonant wavelength shift, asymmetric lineshape change and mode splitting. Secondly, we will investigate the characteristics of fiber coupled bottle-like WGM resonators. By exploiting the dependence of characteristics on bottle resonator’s length and profile, we can build a stable coupling system with separated coupling region and coupling region, and eventually achieve high-sensitivity sensing by combining with Fano lineshape.

微纳光学生物传感技术满足生物分析系统的微型化、便携化的发展需求，针对回音壁模式光学谐振腔生物传感系统在肿瘤生物标志物检测中面临的灵敏度和结构稳定性问题，本申请将首先研究法诺谐振谱线的传感机理，通过研究锥形光纤与回音壁谐振腔耦合结构中多模式耦合效应对光谱响应曲线的影响，分析法诺线型产生条件，构建结合法诺线型非对称度变化、谐振波长移动以及模式劈裂现象的传感机理模型；其次将研究光纤耦合的瓶状谐振腔特性，通过探究瓶状谐振腔长度和表面形貌等结构参数对其模式特性的影响，构建结构稳定且传感区域与耦合区域分离的耦合结构，并最终结合法诺线型传感机理实现高灵敏度传感。

回音壁模式光学微谐振腔同时具备小模式体积和高品质因数，是实现痕量微纳米粒子高灵敏度检测的重要载体。相比于传统的单模耦合产生的洛伦兹光谱响应，本项目提出一种多模式微纳米光纤-腔模的耦合结构，通过多模式耦合产生的法诺共振光谱响应，系统研究了该光谱相应的信号增强原理及该耦合结构的传感特性。本项目主要开展三个方面的研究：（1）多模耦合法诺共振生成机理及特性研究，包括单光纤双模式-腔模耦合，双光纤双模式-腔模耦合结构机理、法诺共振模式劈裂信号增强机理、法诺共振模式展宽信号增强机理理论研究；（2）回音壁模式光学谐振腔、微纳米光纤器件研究，包括双瓶状光学谐振腔、柱状谐振腔、锥状谐振腔、微纳米光纤器件加工方法实验研究以及对应的模式特性、光谱响应理论和实验研究；（3）光学谐振腔耦合系统传感特性实验研究，包括球状谐振腔模式劈裂单纳米粒子检测和表征，柱状谐振腔谐振频移液面及微粒子位置传感，锥形微米光纤折射率及生物标志物传感特性研究。本项目所提出的一系列耦合结构和信号增强方法对谐振型光子学传感结构的设计和性能提升具有普遍意义和推广价值，是对微光学谐振腔研究的重要拓展，在传感领域具有重要应用前景。相关成果发表论文5篇，申请专利3项。