回音壁模式耦合微腔激光器光学性能及其用于生物传感的基础研究

本项目旨在研究回音壁模式耦合光学微腔激光器高灵敏度的传感特性，并研制一种新型的集成回音壁模式激光传感器。此传感器具有高品质因子、单频和单方向性出射以及高灵敏度等优点，在光学传感领域具有非常好的应用前景。本项目的研究内容主要有：通过数值模拟技术分析回音壁模式耦合光学微腔激光器的传感特性，并设计高灵敏度的回音壁模式耦合微腔传感器；利用溶胶凝胶方法以及高精度的光刻工艺，制备有机无机复合回音壁模式耦合微腔传感器，并对生物样品进行检测。本项目的研究目标在于突破现有集成回音壁模式微腔传感器的探测极限，研究具有更高灵敏度的光学传感器件，为实现多功能、高性能的集成光学传感芯片打下良好的理论与实验基础和探索一条切实可行的工艺路线，并进一步发展高灵敏度的光学传感探测技术。

无标记光学生物传感器作为一种高精度的探测和分析工具，在生物医学研究、环境监测、卫生保健、药品质量控制以及生物反恐等领域具有非常广阔的应用前景。众多无标记型光学生物传感器中，基于全反射约束机制的回音壁模式(whispering-gallery-mode, 以下简称WGM)光学微腔传感器由于其兼具灵敏度高和集成度高的优点备受研究者的重视。.该项目研究旨在研究新型耦合WGM微腔系统的高灵敏度传感机制，用以突破目前WGM微腔的灵敏度和探测极限瓶颈。主要研究工作有：.1.系统地研究基于游标效应的耦合微腔激光传感器的超灵敏传感机制，并实现了光微流耦合微腔激光传感器构型，将传统的WGM微腔传感器的灵敏度提高了1个数量级以上，高达5930 nm/RIU，是迄今已报道的回音壁模微腔传感灵敏度的最高水平；对蛋白质等生物分子的表面探测极限为6.9 pg/mm^2。.2.实现了具有自参考效应的“光子分子”耦合微腔传感器，有效地消除了系统噪声，实现更好的探测极限。该系统实现了浓度为2 pg/ml的BSA探测，表面质量密度为0.9 pg/mm^2，等噪声探测极限为0.26 pg/mm2,突破了光学生物传感器1 pg/mm^2的探测极限瓶颈。.该项研究有助于我们突破现有集成回音壁模式微腔传感器的灵敏度和探测极限，这对集成回音壁模式微腔器件的最终实用化具有非常重要的意义;而探索器件的制备工艺及其在生物传感领域的应用可为实现多功能、高性能的集成光学传感芯片打下良好的理论基础和探索出一条切实可行的工艺路线，进一步发展高灵敏度光学传感探测技术。