用于纳米检测的参考干涉仪实现

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。