Pesquisadores alcançam acoplamento de espaço livre de Q ultra-alto para ressonadores microtoróides
a, Uma lente objetiva é usada para acoplar a luz do espaço livre (feixe vermelho) ao microtoróide. A luz espalhada ressonante é coletada na borda oposta conforme indicado pelo feixe laranja. b, Micrografia eletrônica de varredura de um ressonador microtoróide (imagem SEM). c, comprimento de onda de ressonância microtoróide em diferentes temperaturas. d, mudança de comprimento de onda de ressonância versus temperatura. Um ajuste linear é mostrado como uma linha preta sólida. Crédito:Sartanee Suebka, Euan McLeod e Judith Su Cientistas da Universidade do Arizona conseguiram acoplamento de luz em campo distante a microtoróides de fator de qualidade ultra-alto usando uma única lente objetiva. Isso poderia fornecer a base para uma plataforma de detecção microtoróide multiplexada totalmente no chip.
O artigo foi publicado na revista Light:Science &Applications .
Sensores rápidos e sensíveis sem rótulo são necessários para muitas aplicações bioquímicas, incluindo diagnósticos e prognósticos precoces, monitoramento da qualidade de alimentos e água, detecção de ameaças químicas e detecção precoce de gases perigosos. Os ressonadores ópticos microtoróides do modo Whispering Gallery (WGM) são um dos sensores bioquímicos mais sensíveis existentes, capazes de detecção de moléculas únicas.
A luz é normalmente acoplada a esses ressonadores usando uma fibra óptica cônica, que é facilmente quebrada, sujeita a ruído vibracional e demorada para ser feita, exigindo instrumentação volumosa e cara, bem como conhecimento especializado. O uso de fibras ópticas cônicas é a principal barreira para o lançamento desses sensores fora do laboratório.
Liderado pela professora Judith Su, um grupo de pesquisa do Wyant College of Optical Sciences e do Departamento de Engenharia Biomédica da Universidade do Arizona demonstrou uma maneira de eliminar a necessidade de uma fibra cônica realizando excitação de campo distante com um SNR> 26 dB. Isso foi feito usando uma única lente objetiva para excitação do ressonador, monitoramento do comprimento de onda de ressonância e geração de imagens.
O sistema é mais compacto, econômico e estável do que os acopladores cônicos baseados em fibra. O complicado processo de puxar uma fibra cônica não é mais necessário. Fatores de altíssima qualidade (> 10
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) foram alcançados usando microtoróides de 100 mícrons de diâmetro. A equipe de Su mostrou que era possível aumentar a eficiência do acoplamento de campo distante usando um feixe de laser altamente divergente e, ao escanear o feixe de campo distante, foi possível estudar o perfil do campo elétrico dentro do ressonador.
Alcançar um sistema de excitação de campo distante torna viáveis plataformas de detecção de ressonadores microtoróides totalmente no chip para uso em campo. O grupo de Su já demonstrou anteriormente que os ressonadores microtoróides podem detectar gases perigosos em baixas partes por trilhão e, portanto, um sistema de detecção precoce de gases perigosos para uso prático poderá ser desenvolvido em breve. O desempenho de detecção deste sistema foi verificado através de um experimento de detecção de temperatura.
Paralelamente, o grupo de Su está trabalhando na adaptação do sistema para detecção de biossensor em ambientes aquosos, bem como na multiplexação dos sensores para detecção simultânea de múltiplos alvos.
"Acreditamos que este sistema de acoplamento de campo distante pode ser usado para espectroscopia e biossensor, e é a base de uma plataforma de detecção de ressonador microtoróide totalmente no chip. Esta abordagem tornou nossos experimentos muito mais fáceis. Nosso objetivo é miniaturizar nosso sistema para torná-lo mais conveniente para uso prático", disse Sartanee Suebka, primeiro autor do artigo.
