微球雷射在極高靈敏度傳感器方面的原理及應用

雷射微球腔以其特有的回音壁模式，極高的品質因子和極小的模式體積，在近年來引起了廣泛的關注。它在非線性光學、腔體量子電動力學、低閾值雷射器研究及量子光學等領域有著重要的應用。本文綜述了微球雷射在極高靈敏度傳感器方面的原理及最新的研究進展。

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一、引言

微球諧振腔是半徑從幾微米到幾百微米的球形光學諧振腔。通過在微球表面不斷的發生全反射，微球腔將光約束在赤道平面附近並沿大圓繞行[1]，激發出特有的回音壁模式(whispering gallery mode，簡稱WGM或WG)。由於全反射的作用，球外光場為倏逝場，這種光波是非傳播波，因此滲出微球以外的光是及其微弱的，所以它能夠將光約束在很小的體積內很長時間而幾乎沒有任何損失，故微球諧振腔以其擁有能夠將能量長時間儲存在很小的體積內的能力而備受關注[2]。正因為微球諧振腔具有極高的品質因子(達到1010)和極小的模式體積[3]，使它在非線性光學、腔體量子電動力學、低閾值雷射器及量子光學等研究領域獨具優勢。

近年來，對於雷射微球諧振腔的研究成了一個新興的熱點，各國科學家都做了很多重要的工作。加州理工學院的實驗組用錐形光纖與微球腔近場耦合，耦合效率達到99.97%[4]，這是自1989年Branginsky等人首次使用熔融二氧化矽介質微球通過稜鏡耦合[5]以來的一個重要進展。在理論方面，Chai Jin-Hua等給出了微球雷射的線性和非線性的半經典理論[6]。在理論、實驗和工藝並進發展的基礎上，微球雷射在眾多領域得到了廣泛的應用。Spillane等做出的微球非線性拉曼(Raman)源測得的閾值是以前實測的千分之一[1]。

微球雷射腔應用於傳感器領域，主要應用了微球諧振腔自身內部或者自身與外界相互作用的靈敏反應，諸如頻率或光譜的變化。一般地說，很多外部因素可對其造成影響，如改變耦合器件與諧振腔的距離，或讓微小物體接近球外的倏逝場影響諧振腔的模式;從內部造成影響的方法則有改變腔內光程，例如球體的形變或者折射率的改變等[7]。由於微球諧振腔的作用，使得生物傳感器、溫度傳感器和加速度傳感器的精度和靈敏度等性能指標大大提高。

二、在極高靈敏度生物傳感器上的應用

通過外界微小粒子在微球表面附近與球外的倏逝場相互作用引起本徵模式的微小變化，使得雷射波長變化而產生可觀察效果，Vollmer等人正是利用這種方法發明了一種「精度前所未有的」 生物傳感器[8]，他的實驗小組還對該傳感器的工作原理進行了理論分析[9]10]。