[发明专利]一种具有疏水表面波导耦合的液态形变微腔结构及其应用方法

说明书

本发明公开了一种具有疏水表面波导耦合的液态形变微腔结构及其应用方法。结构包括基底、平面波导结构、疏水介质层及由形变液滴形成的液态形变光学微腔；平面波导结构中的波导嵌入于基底；疏水介质层位于平面波导结构上，液态形变光学微腔位于疏水介质层上；本发明中，液态形变光学微腔本征表面光滑，具有低的表面散射损耗，从而可实现高的品质因子；本发明所公开的结构可用于液态微腔激光的产生，光学滤波，折射率变化、增强荧光及增强拉曼生化传感等方面的应用。

技术领域

本发明涉及光学传感检测技术及激光技术领域。一种具有疏水表面波导耦合的液态形变微腔结构及其应用方法。

背景技术

回音壁模式是电磁波在一定结构，即微腔内部的传播，表现为几何光束贴近微腔内表面圆周低损耗模式下的全反射。高的品质因子(Q值)和低的模容量使得回音壁模式在微激光、光频梳、新型光源、量子电动力学、生物化学及力学传感等方面有着广泛的应用前景。结构不对称性、材料、表面粗糙度、尺寸及界面两侧折射率对比等对回音壁模式有着重要影响。目前见之于报道的微腔结构有球状、环状、圆柱状、盘状、毛细管、瓶状、泡状及光子晶体等；液态微腔因表面张力作用，形状多为球状和纺锤状，表面粗糙度引起的散射损耗远远小于固态微腔；微腔的评价主要应考虑Q值、易于操作及可集成性三个方面的问题。

相对于固态微腔，液态微腔因其自然流体所存在的表面张力作用，具有以下几个优点：(1)自然球形，无需特意制作；分析物易于融入，以及易于与光场进行更充分的相互作用；(2)本征光滑的表面使其不存在固态微腔由于加工引起的表面粗糙度问题，意味着低的表面散射损耗和高Q值，从而实现更高灵敏度的传感检测，或者更低阈值的激光产生；(3)易于与微流特别是基于液滴操控的数字微流分析平台集成。

由于液体本身所具有的流动性，形成液态微腔的液滴主要为球状、纺锤状，且需要借助于适当的外物进行承载以确保形状及体积。比之于固态微腔的耦合方式，液态微腔光学倏逝光场模式耦合方式见之于报道的主要为自由空间耦合和拉锥光纤耦合。自由空间耦合利用空间光束与微腔耦合，激发获得耦合模式信号，通过测量透射光或散射光进行分析。但自由空间耦合辐射传输效率较低，且系统往往比较复杂，需要与液态的精确对准，操作不便。拉锥光纤耦合操作过程中不仅易于断裂且光纤锥表面易被污染，液态微腔易粘附于光纤锥上，操作不便，存在很大的局限。且目前报道的空间耦合及拉锥光纤耦合的方式是通过倏逝光场与水平赤道面，即，近似非形变圆形截面上的微腔模式进行耦合，该种耦合方式不易于进行集成化的应用。而本发明所提出的具有疏水表面波导耦合的液态形变微腔结构，其中的液态形变微腔是由形变液滴中沿着与平面波导结构轴向相切的形变经线平面上的闭合圆周路径构成。整个结构中的基底解决了对液态微滴的稳定承载，表面的疏水层减缓由于重力、表面张力等因素所引起的液滴的形变，而嵌入在基底内的波导则实现了对液态变形微腔的有效光耦合和激励。所以是一个集液滴固定和对液态形变微腔进行高效光耦合激励多功能为一体的共形结构，且具有结构简单稳定、易于实际操作和应用的特点。

发明内容

针对液态微腔技术中存在的上述问题，本发明提供了一种具有疏水表面波导耦合的液态形变微腔结构及其应用方法。