Fısıltı galerisi rezonans boşlukları, ışığı çevrelerindeki dairesel yörüngelerde hapseder.1-2 Boşluğun kalite faktörü (Q) ile nicelendirilen foton depolama ömrü, Q faktörü 100 milyonun üzerindeki boşluklar için 500ns'nin üzerine çıkabilir. Düşük malzeme kayıpları sayesinde silika mikroboşluklar, bugüne kadarki en uzun foton ömürlerinden bazılarını sergilemiştir1-2. Dolaşan ışığın bir kısmı rezonatörün dışına taştığı için, bu cihazlar aynı zamanda çevreyi incelemek için de kullanılabilir. Bu etkileşim; tek molekül biyodeteksiyonu ve antikor-antijen kinetiği gibi biyolojideki çok sayıda deneyin yanı sıra, ultra düşük eşikli mikrolazerlerin geliştirilmesi, ince filmlerin karakterizasyonu ve boşluk kuantum elektrodinamiği çalışmaları gibi diğer alanlardaki keşiflere olanak sağlamıştır.3-7
İki temel silika rezonans boşluğu geometrisi mikroküre ve mikrotoroiddir. Her iki cihaz da ultra yüksek Q faktörlerine (Q>100 milyon) ulaşmak için bir karbondioksit lazer yeniden eritme adımına dayanır.1-2,8-9 Bununla birlikte, iki yapı arasında birkaç belirgin fark vardır. Silika mikroküreler tek bir optik fiber tarafından desteklenen serbest duran yapılardır, oysa silika mikrotoroidler litografi ve aşındırma adımlarının bir kombinasyonu kullanılarak bir silikon gofret üzerinde büyük diziler halinde üretilebilir. Bu farklılıklar, belirli bir deney için hangi cihazın optimal olduğunu etkiler.
Burada, her iki rezonans boşluğu tipi için ayrıntılı üretim protokollerini sunuyoruz. Mikrosfer rezonans boşluklarının üretimi oldukça basitken, mikrotoroid rezonans boşluklarının üretimi ek uzmanlaşmış ekipman ve tesisler (temiz oda) gerektirmektedir. Bu nedenle, bu ek gereksinim, belirli bir deney için hangi cihazın seçileceğini de etkileyebilir.
Giriş
Bir optik rezonatör, cihazın rezonans dalga boyları olarak bilinen belirli dalga boylarındaki ışığı etkili bir şekilde hapseder. 1-2 Bu optik rezonatörler için yaygın kullanılan başarı ölçütü, kalite faktörü veya Q'dur. Bu terim, rezonatör içindeki foton ömrünü (τo) tanımlar ve bu ömür, rezonatörün optik kayıplarıyla doğrudan ilişkilidir. Bu nedenle, yüksek Q faktörüne sahip bir optik rezonatör; düşük optik kayıplara, uzun foton ömürlerine ve çok düşük foton bozunma hızlarına (1/τo) sahiptir. Uzun foton ömürlerinin bir sonucu olarak, bu cihazlarda son derece yüksek dolaşan optik alan yoğunlukları oluşturmak mümkündür. Bu oldukça benzersiz özellik, bu cihazların lazer kaynakları ve entegre biyosensörler olarak kullanılmasına olanak sağlamıştır.10
Rezonatörlerin benzersiz bir alt sınıfı, fısıltı galerisi modlu optik mikrokoviteleiridir. Bu cihazlarda ışık, çevre kısımdaki dairesel yörüngelere hapsedilir. Bu nedenle alan, cihaz içinde tamamen hapsedilmez, bunun yerine çevreye doğru sönümlenir. Fısıltı galerisi modlu optik koviteleler, bugüne kadar herhangi bir optik rezonans kovitesinin sahip olduğu en yüksek kalite faktörlerinden bazılarını sergilemiştir.9,11 Bu nedenle, bu cihazlar temel fizik çalışmalarından telekomünikasyona ve biyobelirleme deneylerine kadar bilim ve mühendisliğin her alanında kullanılmaktadır. 3-7,12
Optik mikrokaviteler, geniş bir malzeme yelpazesinden ve çok çeşitli geometrilerde üretilebilir. Bazı örnekler arasında silika ve silikon mikrotoroidler; silikon, silikon nitrür ve silika mikrodiskler; mikrosütunlar ile silika ve polimer mikrohalkalar yer almaktadır.13-17 Kalite faktörü (Q) aralığı, geometri kadar dramatik şekilde değişiklik gösterir. Her ne kadar geometri ve yüksek Q her alanda önemli hususlar olsa da, birçok uygulamada cihaz performansını Q artırımı yoluyla yükseltmek çok daha etkili bir yöntemdir. Daha önce ayrıntıları verilen çok sayıda seçenek arasında, silika mikroküre ve silika mikrotoroid rezonatörler bugüne kadarki en yüksek Q faktörlerinden bazılarına ulaşmıştır.1,9 Ayrıca, silikanın görünür bölgeden yakın-IR bölgesine kadar olan aşırı düşük optik kaybı sonucunda, hem mikroküreler hem de mikrotoroidler Q faktörlerini geniş bir test dalga boyu aralığında koruyabilmektedir.18 Son olarak, silika doğası gereği biyouyumlu olduğundan, biyodeteksiyon deneylerinde rutin olarak kullanılmaktadır.
Yüksek malzeme absorbsiyonunun yanı sıra, yüzey pürüzlülüğü, radyasyon kaybı ve kontaminasyon kaybı dahil olmak üzere birkaç potansiyel kayıp mekanizması daha mevcuttur.2 Cihaz boyutunun optimizasyonu yoluyla, cihaz içindeki zayıf optik alan sınırlamasından kaynaklanan radyasyon kayıplarını ortadan kaldırmak mümkündür. Benzer şekilde, bir cihaz uygun şekilde temiz bir ortamda saklanarak yüzey kontaminasyonu minimize edilebilir. Bu nedenle, malzeme kaybına ek olarak, yüzey saçılması temel kayıp mekanizmasıdır.2,8
Silika cihazlarda, yüzey gerilimi ile tetiklenen geri akış yoluyla silikayı eriten bir lazer geri akış tekniği kullanılarak yüzey saçılması minimize edilir. Küresel optik rezonatörler uzun yıllardır incelenmiş olsa da, araştırmacıların silikon bir altlık üzerinde yüksek kaliteli silika optik toroidal mikrorezonatörler (Q>100 milyon) üretilmesini sağlayan üretim teknolojilerindeki son gelişmeler, mikroakışkanlar ile entegrasyonun önünü açmıştır.1
Bu protokol serisi, hem silika mikroküre hem de mikrotoroid rezonans boşluklarının nasıl üretileceğini ayrıntılı olarak açıklamaktadır. Silika mikroküre rezonans boşlukları oldukça iyi bilinen yapılar iken, mikrotoroid rezonans boşlukları yakın zamanda icat edilmiştir.1 Mikroküre üretiminde kullanılan temel yöntemlerin birçoğu, daha karmaşık olan mikrotoroid üretim prosedüründe de kullanıldığından, her ikisinin tek bir protokolde sunulması, araştırmacıların deneylerindeki sorunları daha kolay gidermelerini sağlayacaktır.