Name: 一个参考干涉仪的Nanodetection实施 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-04-26T14:00:00.000+00:00
Duration: 16 min 11 s
Description: 学习利用回音壁模式微腔传感技术构建参考干涉仪，实现数十纳米级纳米颗粒的高灵敏度检测。该方法有效抑制激光抖动噪声，显著提升超高品质因子微腔的测量精度与稳定性。

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作者感谢Xuan Du绘制了图1的概念示意图。本研究由加拿大自然科学与工程研究委员会（NSERC）的资助项目提供经费支持。

1. 参考干涉仪的构建与自由光谱范围测量
<ol>
	<li>构建
	<ol>
		<li>制作一个顶部开放的亚克力箱。该结构的尺寸应足够大，以便紧密地放入一个16 in x 16 in x 16 in的泡沫箱中。</li>
		<li>制作一个三级置物架，用于放置光学元件，该置物架将置于敞口亚克力盒内，并由聚苯乙烯泡沫箱完全包围，以实现热隔离。聚苯乙烯泡沫箱上必须预留两个抬高的孔，以便光纤进出整个封闭结构。</li>
		<li>第3天rd 阶段：3 dB定向耦合器的一根输出光纤应固定到偏振控制器上，然后连接至另一个独立的3 dB定向耦合器的输入端口。</li>
		<li>第2天nd 步骤：将来自第一个3 dB定向耦合器另一输出端口的约16英尺长的光纤形成一个环路，并将该光纤引导至3rd 阶段</li>
		<li>将丙烯酸盒中填入50%碎冰与50%液态水的混合物，以制成冰浴，从而将光学元件的温度维持在接近0 °C。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>FSR 测量
	<ol>
		<li>在所需波长处设置探针激光器。使用函数发生器，将其输出连接至一个3 dB功率分配器。3 dB分配器的一个输出端应连接至示波器用于监测，另一个输出端用于直接调节激光器的频率。</li>
		<li>将激光输出作为输入馈入1st 3 dB 定向耦合器</li>
		<li>2的两个输出nd 3 dB定向耦合器用于将光混频信号传输至平衡光电探测器（BPD）。最后，将BPD的输出电缆连接至示波器的通道输入端。</li>
		<li>通过波形发生器输出一个峰峰值为 1 V、扫描频率为 100 Hz 的斜坡信号，施加于激光模块，以线性扫描激光频率。在示波器上，BPD 的输出信号将呈现为正弦波形。</li>
		<li>调节偏振控制器，以最大化正弦波形的峰峰值电压。</li>
		<li>为测量FSR，将波形发生器设置为直流模式，使激光器输出连续波。调节波形发生器的电压，使BPD输出的透射信号在0 V附近波动（即. 正交点）。使用电学频谱分析仪检测输出信号。监测到的信号应呈现为 sinc 平方函数，其中距离全局最大值（位于零频率处）最近的第一个零点位置对应于自由光谱范围（FSR）。为最小化测量噪声，将电学频谱分析仪设置为取平均模式。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 纤维拉制13
前言：本实验的目的是通过近似匹配在锥形光纤中传播的光子与微腔中光子的相位，从而实现高效的耦合。当光纤被拉伸时，位于两个夹具之间的中心段将经历从常规光纤中支持单模传输，到由原始二氧化硅包层作为纤芯、空气作为包层所形成的波导中支持多模传输，再回到单模传输的转变过程。在中心区域，光纤的二氧化硅纤芯几乎完全消失，此时尽管暂时满足多模传播条件，但由于光纤直径持续减小，该效应将被逐步抵消。
<ol>
	<li>将光纤夹具固定到电动平移台上。</li>
	<li>取两段光纤，每段一端连接FC/APC接头。用光纤剥线钳去除未连接端的缓冲涂层，先用丙酮清洁，再用异丙醇清洁，切割端面，并通过熔接将两段光纤连接在一起。</li>
	<li>为监测拉锥过程中的损耗，将一台工作在恒定功率模式的探测激光器连接至光纤一端，另一端连接至光电探测器（PD）。PD的输出必须连接至示波器。调节示波器设置，以测量PD的输出电压，该电压与透射激光功率成正比。</li>
	<li>记录PD输出电压的初始值，并持续监测直至步骤2.9。</li>
	<li>将光纤夹紧在光纤夹具上，并使用光学显微镜对光纤成像。</li>
	<li>释放氢气，使其开始在拉锥区域附近流动，等待空气排尽并使通道压力稳定。当氢气流速达到110 ml/min时，使用点火器在出口附近点燃氢气，以加热光纤。</li>
	<li>使用自定义的LabVIEW程序线性拉伸光纤。注意在拉伸过程中，光纤纤芯逐渐消失，而多个包层模式逐渐成为引导光通过拉锥光纤段的主要模式。由于多模干涉，光纤中透射光强应出现振荡。</li>
	<li>继续拉伸光纤，减小拉锥区域的直径，直至光纤仅支持单一包层模式。当透射光强不再变化时，停止拉伸。</li>
	<li>将光纤夹具从平移台上卸下，并将其固定在压电平台附近。</li>
</ol>
3. 溶液的制备与递送
<ol>
	<li>制备由50 nm半径的单分散聚苯乙烯微球溶于杜氏磷酸盐缓冲液（DPBS）中形成的10 pM、1 pM和100 fM溶液。此外，制备一份纯DPBS溶液。</li>
	<li>将上述溶液放入离心机中，为保持平衡，交错放置其位置，并启动30分钟的离心程序。</li>
	<li>离心完成后，将溶液稳妥地置于干燥器中，抽真空，并用超声波处理30分钟。</li>
	<li>取出溶液，放置于实验装置附近备用。</li>
	<li>搭建小型流体输送系统的支架。
	<ol>
		<li>在清洁两个卡套后，将注射器针头分别插入一段微管的两端，并将卡套拧紧固定在注射器针头上。分别将其中一个卡套连接至第三个注射器针头，另一个连接至筒塞组件的鲁尔锁接头。</li>
		<li>将暴露的注射器针头固定在支架上，并支撑于样品后方，确保流体能够流入样品区域而不发生明显泄漏。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>根据实验方案第5节，将合适的溶液装入筒内，并在实验过程中通过微流控系统手动注入。</li>
</ol>
4. 系统配置与互连
<ol>
	<li>将探针激光器连接至一个10 dB定向耦合器。耦合端口连接至参考干涉仪的输入端口，而透射端口则连接至一个偏振控制器，随后连接锥形光纤。</li>
	<li>重新聚焦显微镜物镜，以获取光纤锥体的两个清晰图像。</li>
	<li>将锥形光纤的输出端连接至一个光电探测器（PD）。该光电探测器的输出应连接至示波器的不同通道输入端。</li>
	<li>将样品安装在纳米位移台上，并进行粗调，使其移动至靠近光纤锥体中心的位置。</li>
	<li>向样品中注入DPBS。进行粗调，使光纤锥体出现在两个CCD相机的视野中。调节纳米位移台，实现光纤锥体与微腔之间的耦合。</li>
	<li>扫描激光波长，以便在示波器上获得适当的共振凹陷信号。</li>
</ol>
5. 纳米颗粒检测
获取数据：配置示波器的触发设置，并使用自制软件采集示波器波形，以供进一步处理。
<ol>
	<li>记录缓冲溶液的数据作为参考。</li>
	<li>按浓度从低到高的顺序记录纳米粒子溶液的数据。</li>
	<li>观察由于纳米粒子在微腔上的结合所引起的频率偏移。</li>
</ol>
6. 数据后处理
收集到的数据可由自行编写的 MATLAB 程序进一步处理。该程序应：
<ol>
	<li>读取参考干涉仪的信号，并对正弦曲线进行最小二乘拟合。通过拟合得到的正弦曲线相位，实时估计激光抖动。</li>
	<li>读取腔体透射信号，并对双洛伦兹函数进行最小二乘拟合。通过将透射信号与干涉仪信号进行比较，确定对应于共振凹陷的光学频率（ν1, ν2）及其半高全宽（FWHM，用 δν1, δν2 表示）。</li>
	<li>由公式 Qi = νi / δνi 计算每个独立凹陷的品质因子，其中 i 可为 1（左侧共振）或 2（右侧共振）。</li>
	<li>按照常规方法，通过激光扫描电压计算共振凹陷的光学频率，此时激光抖动会引入较大的测量噪声。</li>
	<li>对每次测量，采集平均共振频率 νavg = (ν1 + ν2) / 2 和分裂频率 Δν = ν2 - ν1，并将其随时间变化作图。当纳米颗粒结合到微腔表面时，平均共振频率和分裂频率均应出现突然的偏移。</li>
</ol>

<ol><li>Vahala, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+microcavities%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Optical microcavities.</a> Nature. 424 (6950), 839-846 (2003).</li>
<li>Lu, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High+sensitivity+nanoparticle+detection+using+optical+microcavities%5BTitle%5D)+AND+%22PNAS%22%5BJournal%5D)">High sensitivity nanoparticle detection using optical microcavities.</a> PNAS. 108 (15), 5976-5979 (2011).</li>
<li>Vollmer, F., Arnold, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Whispering-gallery-mode+biosensing%3A+label-free+detection+down+to+single+molecules%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Methods%22%5BJournal%5D)">Whispering-gallery-mode biosensing: label-free detection down to single molecules.</a> Nat. Methods. 5 (7), 591-596 (2008).</li>
<li>Vollmer, F., Braun, D., Libchaber, A., Khoshsima, M., Teraoka, I., Arnold, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Protein+detection+by+optical+shift+of+a+resonant+microcavity%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Protein detection by optical shift of a resonant microcavity.</a> Appl. Phys. Lett. 80 (21), 4057-4059 (2002).</li>
<li>Sun, Y., Fan, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+ring+resonators+for+biochemical+and+chemical+sensing%5BTitle%5D)+AND+%22Anal.+Bioanal.+Chem%22%5BJournal%5D)">Optical ring resonators for biochemical and chemical sensing.</a> Anal. Bioanal. Chem. 399 (1), 205-211 (2011).</li>
<li>Shopova, S. I., Rajmangal, R., Nishida, Y., Arnold, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrasensitive+nanoparticle+detection+using+a+portable+whispering+gallery+mode+biosensor+driven+by+a+periodically+poled+lithium-niobate+frequency+doubled+distributed+feedback+laser%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">Ultrasensitive nanoparticle detection using a portable whispering gallery mode biosensor driven by a periodically poled lithium-niobate frequency doubled distributed feedback laser.</a> Rev. Sci. Instrum. 81 (10), 103-110 (2010).</li>
<li>Santiago-Cordoba, M. A., Boriskina, S. V., Vollmer, F., Demirel, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoparticle-based+protein+detection+by+optical+shift+of+a+resonant+microcavity%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Nanoparticle-based protein detection by optical shift of a resonant microcavity.</a> Appl. Phys. Lett. 99 (7), 073701(2011).</li>
<li>Swaim, J. D., Knittel, J., Bowen, W. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Detection+limits+in+whispering+gallery+biosensors+with+plasmonic+enhancement%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Detection limits in whispering gallery biosensors with plasmonic enhancement.</a> Appl. Phys. Lett. 99 (24), 243109(2011).</li>
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<li>Lu, T., Su, J., Fraser, S., Vahala, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Split+frequency+sensing+methods+and+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Patent+granted+on%22%5BJournal%5D)">Split frequency sensing methods and systems.</a> Patent granted on. , (2013).</li>
<li>Zhu, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On-chip+single+nanoparticle+detection+and+sizing+by+mode+splitting+in+an+ultrahigh-Q+microresonator%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Photonics%22%5BJournal%5D)">On-chip single nanoparticle detection and sizing by mode splitting in an ultrahigh-Q microresonator.</a> Nat. Photonics. 4 (1), 46-49 (2010).</li>
<li>Shopova, S. I., Rajmangal, R., Nishida, Y., Arnold, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrasensitive+nanoparticle+using+a+portable+whispering+gallery+mode+biosensor+driven+by+a+periodically+poled+lithium-niobate+frequency+doubled+distributed+feedback+laser%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">Ultrasensitive nanoparticle using a portable whispering gallery mode biosensor driven by a periodically poled lithium-niobate frequency doubled distributed feedback laser.</a> Rev. Sci. Instrum. 81 (10), (2010).</li>
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<li>Li, J., Lee, H., Yang, K. Y., Vahala, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sideband+spectroscopy+and+dispersion+measurement+in+microcavities%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Sideband spectroscopy and dispersion measurement in microcavities.</a> Opt. Express. 20 (24), 26337-26344 (2012).</li>
<li>Chow, J. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Critical+coupling+control+of+a+microresonator+by+laser+amplitude+modulation%5BTitle%5D)+AND+%22Opt+Express%22%5BJournal%5D)">Critical coupling control of a microresonator by laser amplitude modulation.</a> Opt Express. 20 (11), 12622-12630 (2012).</li>
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<li>Knittel, J., Chow, J. H., Gray, M. B., Taylor, M. A., Bowen, W. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrasensitive+real-time+measurement+of+dissipation+and+dispersion+in+a+whispering-gallery+mode+microresonator%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Lett%22%5BJournal%5D)">Ultrasensitive real-time measurement of dissipation and dispersion in a whispering-gallery mode microresonator.</a> Opt. Lett. 38 (11), 1915-1917 (2013).</li>
<li>Shopova, S. I., Rajmangal, R., Holler, S., Arnold, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Plasmonic+enhancement+of+a+whispering-gallery-mode+biosensor+for+single+nanoparticle+detection%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Plasmonic enhancement of a whispering-gallery-mode biosensor for single nanoparticle detection.</a> Appl. Phys. Lett. 98 (24), (2011).</li>
<li>Santiago-Cordoba, M. A., Boriskina, S. V., Vollmer, F., Demirel, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoparticle-based+protein+detection+by+optical+shift+of+a+resonant+microcavity%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Nanoparticle-based protein detection by optical shift of a resonant microcavity.</a> Appl. Phys. Lett. 99 (7), (2011).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

当前装置能够探测多种回音壁模式微腔，例如微盘、微球和微环，且无需对探测激光源进行任何反馈控制。由于光程长度以及粒子诱导背向散射效应带来的步进式增强作用，该系统在检测时可获得较高的信噪比（SNR）。鉴于参考干涉仪本身结构简单且成本低廉，该方法是一种研究或利用回音壁模式腔特性的高效技术。

或者，可通过采用基于相位调制（PM）的Pound-Drever-Hall（PDH）频率锁定和基于幅度调制（AM）的临界耦合反馈，优化微腔中的循环功率并更有效地维持共振15。然而，这种方法的代价是引入了显著的复杂性和成本。PDH方法的噪声基底最近约为7 fm&#160;16，与本方案中详述的设计相比，噪声水平至少提高了整整一个数量级。如实验所示，纳米颗粒的散射截面可通过腔增强幅度调制激光吸收光谱法（CEAMLAS）提供的干涉仪耗散信息进行测量17。

需要注意的是，脱气不...

近年来，回音壁模式（WGM）微腔在纳米检测和生物传感领域的应用引起了广泛关注1-8。该技术依赖于具有超高品质因数（Q值）的光学微腔，能够高效识别微小的生物颗粒，灵敏度可达单个蛋白质水平2。通过将光能高度局域于极小的模式体积内，微腔可实现对透射光中共振波长偏移和频率分裂的极高灵敏度监测9-11。这些光学信号的变化源于离散分子或纳米颗粒与微腔表面的结合，进而引起谐振器光学特性的改变。在三维WGM结构中，一种较为简单的实例是二氧化硅微球，其可通过CO2激光烧蚀拉制的光纤末端简便制备，获得接近原子级光滑的表面。已知此类微球可实现高达109量级的Q值1。

传统上，通过扫描可调谐激光光源的光频率，同时利用光电探测器检测在示波器上捕获的光透射信号，来监测微腔的共振频率。该技术的一个固有缺陷是，由于激光波长波动或激光抖动，导致透射信号下降位置存在不确定性。为克服这一问题，可将干涉仪与微腔结合使用，以产生参考信号，消除激光抖动，从而提高观测灵敏度2。输入光被分为两条光路：一路为参考光束，通过干涉仪（其自由光谱范围（FSR）足够大，以确保在测量期间激光抖动不会超过一个FSR频率间隔）；另一路为检测光束，与回音壁模式（WGM）微谐振器相互作用。与更复杂的配置（例如结合分布式反馈激光器（DFB）与周期性极化铌酸锂（PPLN）倍频器的WGM传感系统）相比，该方法显著简化了实验操作12。本文介绍了一种基于超高品质因数微腔的干涉仪技术，用于纳米尺度物质的监测3。文中概述了实现该技术所需的装置搭建与数据采集流程，阐明了如何通过参考干涉测量法确定谐振腔的品质因数。

<table><tbody><tr><td>聚苯乙烯&amp;nbsp; 微球</td><td>PolyScience</td><td></td><td></td></tr><tr><td>杜尔贝科&amp;rsquo;磷酸盐缓冲液（DPBS）</td><td>Life Technologies</td><td>14190</td><td></td></tr><tr><td>压电纳米定位系统</td><td>Physik Instrumente</td><td>P-611.3S</td><td></td></tr><tr><td>平衡光电探测器</td><td>Thorlabs</td><td>PDB120A</td><td></td></tr><tr><td>光电探测器</td><td>纽波特</td><td>1801-FC</td><td></td></tr><tr><td>3 dB光纤光学定向耦合器</td><td>Thorlabs</td><td>FC632-50B</td><td></td></tr><tr><td>10 dB光纤定向耦合器</td><td>Thorlabs</td><td>FC632-90B</td><td></td></tr><tr><td>下插式偏振控制器</td><td>General Photonics</td><td>PLC-003-S-25</td><td></td></tr><tr><td>函数发生器</td><td>惠普</td><td>33120A</td><td></td></tr><tr><td>熔接机</td><td>Ericsson</td><td>FSU-925</td><td></td></tr><tr><td>高速示波器&amp;nbsp;</td><td>安捷伦</td><td>DS09404A</td><td></td></tr><tr><td>带控制器的电动平移台</td><td>Thorlabs</td><td>MTS25-Z8E</td><td></td></tr><tr><td>单模光纤，600-800 nm &amp;Oslash;125 &amp;mu;m 包层</td><td>Thorlabs</td><td>SM600</td><td></td></tr><tr><td>实时电学频谱分析仪</td><td>Tektronix</td><td>RSA3408B</td><td></td></tr><tr><td>光谱分析仪</td><td>安捷伦</td><td>70951A</td><td></td></tr><tr><td>632.5 &amp;ndash; 637 nm 可调谐激光器</td><td>新焦点</td><td>TLB-6304</td><td></td></tr><tr><td>过滤泵</td><td>KNF</td><td></td><td></td></tr><tr><td>超声波清洗机</td><td>Crest Ultrasonics</td><td>Powersonic 1100D</td><td></td></tr><tr><td>迷你涡旋振荡器</td><td>VWR</td><td>VM-3000</td><td></td></tr><tr><td>离心</td><td>Beckman Coulter</td><td>Microfuge 22R</td><td></td></tr></tbody></table>

用于纳米检测的参考干涉仪实现

Implementation of a Reference Interferometer for Nanodetection

一种适用于研究超高品质因数微腔的热学与机械稳定性良好的光纤干涉仪被构建。在测定其自由光谱范围（FSR）后，将该模块与光纤锥形微腔系统并联，并通过隔离和消除激光频率的随机漂移进行校准即 激光抖动噪声）。为了实现锥形光纤-微腔的连接，并最大化耦合至谐振腔的光功率，需拉制单模光纤波导。随后制备含有聚苯乙烯纳米微球的溶液并将其引入微腔，以验证该系统对微腔表面结合事件的检测能力。数据通过自适应曲线拟合进行后处理，从而实现对品质因数的高分辨率测量，并绘制谐振波长和分裂频率偏移等随时间变化的参数。通过仔细分析时域响应中的阶跃变化以及频域响应中的频率偏移，该仪器可对离散的结合事件进行定量分析。

按照实验方案操作后，可对采集的信号进行整合与拟合。图3a展示了视频中呈现的微球典型共振结构，该结构在DPBS溶液环境中表现出频率分裂现象。对双洛伦兹函数进行最小二乘拟合表明，在水相环境中，左右两个共振谷的质量因子分别为2.1 × 108和3.8 × 108。通过将腔体光谱与干涉仪信号进行比对，可获得FWHM对应的光学频率，如图3b所示，该方法实现了对Q值的高分辨率测量。需要注意的是，共振光谱是在激光波长蓝移条件下获取的，而红移测量所得到的Q值结果相似。图4展示了可生成的共振谱图，其中对透射曲线进行了双洛伦兹拟合。在标定方面，激光抖动噪声从原始参考干涉仪信号中提取，并随后从干涉仪和微球信号中去除。若不进行激光抖动校正，图4a仅显示通过共振谷触发生成的谱图。标定过程中会出现热漂移现象，如图4c所示。与自由空间干涉测量相比，本研究所阐明的测量方法降低了损耗，并有望集成于片上系统平台。从定量角度看，自由空间干涉测量系统的FSR测量可达...

一种参考干涉仪技术被用于探测超高品质因子微腔，该技术旨在消除纳米探测中的不良激光抖动噪声。本文提供了装置的组装、调试和数据采集说明，以及用于确定腔体品质因子的测量过程。

一种适用于研究超高品质因数微腔的热学与机械稳定性良好的光纤干涉仪被构建。在评估……

本实验的总体目标是构建一种参考干涉仪，利用回音壁模式传感技术检测直径在数十纳米量级的粒子，实现极高的品质因数。回音壁模式微腔可使共振光子在其内部循环传播数十万次，当粒子落在微腔表面时，将引起光学性质的显著变化。如果背向散射足够强且腔体损耗足够低，则实验上会出现反交叉分裂模式。这将产生频率分裂效应，并发生粒子吸收现象。随后将发生频率移动。与现有系统（例如通过监测扫描电压来跟踪腔体共振频率的系统）相比，这种参考干涉仪技术的主要优势在于，它能够有效抑制激光噪声，从而在整体量级上显著增强信号。此外，由于该方法易于构建且成本低廉，特别适用于研究或利用多种区域电机捕获特性的应用，以及对流感病毒等单个分子进行高灵敏度检测。开始组装参考干涉仪时，将一根600至800纳米的单模光纤对准一个3 dB定向耦合器的输入端口。该耦合器的一根输出光纤应盘绕成16英尺长的一系列环路，以增加光延迟。另一根输出光纤应固定在偏振控制器上，用于后续调节光传输。将这两根光纤连接至第二个3 dB定向耦合器的输入端口后，其光电混合输出信号将作为平衡光电探测器的输入信号。该光学元件网络可安装在一个三层搁架单元上，该单元置于一个由泡沫箱包围的亚克力容器内，容器中需填充50%的冰与50%的液态水，建议使用刨冰而非冰块以提高稳定性。然而，无论使用何种冰，都必须小心地将其放入 enclosure 中，以避免损坏光纤。随后即可将此装置整合到现有的实验配置中，用于探测回音壁模式微腔。首先，确保探针激光器的输出被初始的三个 DB 定向耦合器接收，以线性扫描激光器，输入一个 100 赫兹、峰峰值为 1 伏的斜坡信号。平衡光电探测器的输出应变为正弦波形。下一步是适当调节偏振控制器，以优化该正弦波形的峰峰值电压。为将激光器配置为连续波输出，需将波形发生器设为直流模式，并调节其使先前的信号在零附近波动。通过使用电谱分析仪监测信号，最终可确定自由光谱范围。该过程可通过查找零频率处峰值与第一个零点之间的频率间隔来实现。将光纤固定器安装到电动平移台上。在两根光纤的一端分别接上FC APC连接头后，使用光纤剥线钳去除裸露端的缓冲涂层。先用丙酮清洗，再用异丙醇清洗。然后研磨端面。务必妥善处理多余的光纤。下一步是扩散。将这些光纤连接在一起。连接完成后，将新光纤段的左右两端夹紧固定在光纤夹具上，使其靠近氢气出口，并能通过光学显微镜物镜观察。当释放氢气时，通道压力趋于稳定，流速达到110毫升每分钟。在示波器上以线性方式观察光电探测器信号，同时监测光传输，点燃氢气。使用实验室自定义软件拉动光纤。应观察到光纤直径逐渐减小，并且由于多模干涉，透射光强开始出现振荡。当透射光强不再变化时，停止拉伸光纤。这标志着光纤锥已细至仅能支持单一包层模式。将光纤夹具从平移台释放，并将其固定在靠近 PAs 和电动台的位置，以便支撑您的微腔。在该实验步骤中，必须穿戴洁净室防护服，以避免外来颗粒污染样品。防护装备包括鞋套、口罩、护目镜、头套以及一副乳胶手套。设置好工作站后，取出50纳米半径的单分散空心聚苯乙烯微球，该微球在非使用状态下应保存于4摄氏度环境中。制备好 ECCO 磷酸盐缓冲液或 DPBS 中浓度为 10 皮摩尔的微球溶液后，使用微量移液器在 1 毫升离心管中配制纯 DPBS 溶液。接着，向另外两个离心管中各加入 900 微升 DPBS。注意，不同混合物应使用不同的移液器吸头。从原始的10皮摩尔溶液中吸取100微升，加入含有900微升DPBS的离心管中，以制备稀释后的1皮摩尔和100飞摩尔微球溶液。短暂涡旋振荡以混匀管内溶液，然后从1皮摩尔溶液中取出100微升，并对剩余两管重复上述步骤。之后，打开离心机盖子。将溶液放入其中，为保持平衡，确保位置交错排列。盖上盖子，启动30分钟的离心程序。程序结束后，打开盖子，小心取出溶液。将离心管固定于干燥器内。轻轻拧松瓶盖，将腔室抽真空以脱气混合物，将干燥器部分浸入超声波清洗池中，用超声波轰击溶液 30 分钟。随后，将腔室从清洗池中取出，移除真空，重新注入空气，并收集溶液。记得将离心管的管盖拧紧。接下来的步骤将重点构建一个流体输送系统。搭建好支架后，截取一段略长于一英尺的微流控管路。将注射器接头插入一端，并将其连接到筒式活塞组件的鲁尔锁接头上。然后将两个注射器接头分别拧到毛细管的两端。将其中一个注射器接头插入微流控管路的暴露端，并将其固定在支架上。样品后方的微流控系统必须尽量减少溢出。重新对焦垂直显微镜物镜，以获得光纤锥的清晰图像。对水平显微镜物镜重复此操作。然后可将样品安装在纳米位移器上，并将其向光纤锥形区域的中心移动。本例中使用的是二氧化硅微球。接下来，扫描激光波长，以便在示波器上获得合适的共振凹陷。在评估完微腔的品质因数后，小心地将光纤锥远离该结构。如果光纤锥与微腔靠得足够近，范德华力会使其相互吸引并发生接触。这可能导致过耦合，可通过再次分离两个结构来校正。随后，用移液管吸取适量水，并在微腔后方滴加液滴，使其周围的介电介质变为该液体。现在可以开始向样品中注入溶液。参考干涉测量系统设置完成后，配置示波器触发参数并运行自编软件以采集信号轨迹。随后可先采集缓冲液的共振曲线，该曲线最多仅表现出频率分裂现象；接着按从低到高浓度的顺序，依次记录纳米颗粒溶液的共振曲线。在此处，您应观察到与结合事件相对应的平均频率偏移和分裂频率偏移。迹线数据可通过 MATLAB 脚本进行处理；在本示例中，可通过将上部子图中的共振结构与干涉仪信号进行比较，从而获取品质因数。在底部子图中，该次实验在缓冲溶液中浸泡时的品质因数约为 2 亿。此外，在通过该流程构建参考信息生成器后，可生成校准前的频谱图、校准后的频谱图以及噪声基底波形。至此，您应已充分理解此类工作变体在驻留辅助系统中的多种应用方式，以及如何将其集成到您自身的系统中。同时，您还应已充分掌握如何通过 whispering error mode 腔体实现自参考检测。

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用于纳米检测的参考干涉仪实现

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