什么是微納光子學？

微納光子學主要研究在微納尺度下光與物質相互作用的規律及其光的產生、 傳輸、調控、探測和傳感等方面的應用。微納光子學亞波長器件能有效提高光子集成度，有望像電子芯片一樣把光子器件集成到尺寸很小的單一光芯片上。納米表面等離子體學是一新興微納光子學領域，主要研究金屬納米結構中光與物質的相互作用。它具有尺寸小，速度快和克服傳統衍射極限等特點。納米等離子體波導結構，具有良好的局域場增強和共振濾波特性，是制作納米濾波器、波分復用器、光開關、激光器等微納光器件的基礎。光學微腔將光束縛在微小的區域內，極大地增強了光與物質的相互作用。因此高品質因子的光學微腔是高靈敏度傳感和探測的重要方式。

WGM微腔

 近年來，光學微腔由于其巨大的應用潛力和科學意義而備受關注，獲得深入研究。光學微腔主要包括微球、微柱、微環等幾何形貌，它是一種形貌依賴的光學諧振腔。微腔內的光波由于在微腔界面發生全反射，從而會產生被稱為耳語回廊模（whispering gallery mode, WGM）的共振模式。相對于其他的光學共振腔，微腔具有高Q值（大于10⁶）、低模式體積、體積小易于集成等特點，已經應用到高靈敏度生化傳感，超低閾值的激光器和非線性作用等方面。我們的研究目標是尋找和研究不同結構和不同形貌微腔的特性，并且應用這些新特性。主要的研究方向包括：WGM微腔的光學特性研究，微腔的制作研究，微腔的應用研究等。

WGM微腔生化傳感

實驗利用四階的高階WGM模式M1（圖1 (a)）來進行傳感測量，相對低階的模式，高階模式的靈敏度會獲得極大的提升（ 圖 1(b)）。

圖1. 微毛細管諧振腔的共振模式（a）及其相對應的折射率靈敏度（b）

高Q值的可調諧光學濾波器

首先拉制出徑向緩變的柱形微腔，然后利用共振波長以來形貌尺寸的原理，通過機械移動耦合位置就可以實現波長調諧（圖 2 (a)），其可調諧性能和濾波帶寬見圖 2 (b)和(c)。另外，該裝置可以實現亞納米精度的光學位移傳感。

圖2.可調諧光學濾波器的示意圖(a)，可調諧性能(b)和濾波帶寬(c)

WGM微流液滴諧振腔

在微流控芯片內，尤其是針對油里面的液滴（droplet-in-oil）的情況，由于表面張力的特性，對于直徑在數十甚至數百微米級別的液滴，其將懸浮在油中，形成一個近乎完美的球體。通過折射率的優化，液滴自身就是一個完美的球形諧振腔，品質因子達到10⁸以上。同時在油里面避免了蒸發的問題。對于體積相對較大的液滴，由于密度差其將“坐”在上側壁或者下側壁。此類型液滴只能采用橫向激勵模式。在微流管道中，如圖3(b)所示，在微流管道的兩側壁構造兩個45度的反射面，以提高激勵和收集效率。如需要進一步提高效率，也可采用如圖(c)的方式，錐形斜面可以收集各個方向的光。

圖3.微液滴諧振腔的激發和接收設計