Том 35, номер 07, статья № 8

Гейнц Ю. Э., Минин И. В., Минин О. В. Связанные оптические резонансы в диэлектрической микросфере. Физический концепт миниатюрного оптического датчика давления. // Оптика атмосферы и океана. 2022. Т. 35. № 07. С. 581–588. DOI: 10.15372/AOO20220708.    PDF
Скопировать ссылку в буфер обмена

Аннотация:

Оптический резонанс внутреннего поля диэлектрической микрочастицы возникает при настройке частоты падающей световой волны на частоту одной из собственных мод частицы и приводит к резкому подъему интенсивности и локализации поля вблизи поверхности с образованием кольцевых периодических структур в форме стоячих волн, так называемых мод «шепчущей галереи» (МШГ).
В работе теоретически рассмотрен случай помещения микросферы вблизи гибкой отражающей мембраны, которая выполняет функцию датчика внешнего давления. При этом за счет отражения от зеркальной мембраны происходит двойное возбуждение МШГ сферы прямым и отраженным назад излучением, которое затем интерферирует в объеме микрочастицы. Оптическая интенсивность результирующего поля МШГ несет информацию о положении гибкой нагруженной мембраны, что позволило нам разработать физический концепт нового миниатюрного полностью оптического датчика давления. Показано, что чувствительность такого датчика зависит от добротности возбуждающихся резонансных мод, геометрических и механических параметров гибкой мембраны. Важные преимущества предлагаемого датчика – миниатюрность дизайна (размеры датчика определяются диаметром гибкой мембраны), а также бесконтактный тип размещения сенсора давления.

Ключевые слова:

оптический резонанс, оптический сенсор давления, моды «шепчущей галереи», отражение волн, интерференция волн, мезоволновая частица

Список литературы:

1. Boyd R.W., Heebner J.E. Sensitive disk resonator photonic biosensor // Appl. Opt. 2001. V. 40. P. 5742–5747.
2. Ward J., Benson O. WGM microresonators: sensing, lasing and fundamental optics with microspheres // Laser Photon. Rev. 2011. V. 5. P. 553–570. DOI: 10. 1002/lpor.201000025.
3. Foreman M.R., Swaim J.D., Vollmer F. Whispering gallery mode sensors // Adv. Opt. Photon. 2015. V. 7. P. 168–240. DOI: 10.1364/AOP.7.000168.
4. Zheng Y., Wu Z.F., Shum P.P., Xu Z.L., Keiser G., Humbert G., Zhang H., Zeng Sh., Dinh X.Q. Sensing and lasing applications of whispering gallery mode microresonators // Opt. Electron. Adv. 2018. V. 1. P. 180015.
5. Ali A.R. Micro-optical vibrometer/accelerometer using dielectric microspheres // Appl. Opt. 2019. V. 58. P. 4211–4219. DOI: 10.1364/AO.58.004211.
6. Conwell P.R., Barber P.W., Rushforth C.K. Resonant spectra of dielectric spheres // J. Opt. Soc. Am. 1984. V. A 1. P. 62–67.
7. Benner R.E., Barber P.W., Owen J.F., Chang R.K. Observation of structure resonances in the fluorescence spectra from microspheres // Phys. Rev. Lett. 1980. V. 44. P. 475–478.
8. Chýlek P. Resonance structure of Mie scattering: Distance between resonances // J. Opt. Soc. Am. 1990. V. A 7. P. 1609–1613.
9. Cai L., Pan J., Hu S. Overview of the coupling methods used in whispering gallery mode resonator systems for sensing // Opt. Lasers Engin. 2020. V. 127. P. 105968. DOI: 10.1016/j.optlaseng.2019.105968.
10. Землянов А.А., Гейнц Ю.Э. Эффективность возбуждения резонансных пространственных конфигураций внутреннего оптического поля сферических микрочастиц фокусированными лазерными пучками // Оптика атмосф. и океана. 2000. Т. 13, № 5. С. 447–456.
11. Bobbert P.A., Vlieger J. Light scattering by a sphere on a substrate // Physica. 1986. V. 137A. P. 209–242.
12. Liu C., Wiegel T., Schweiger G. Structural resonances in a dielectric sphere on a dielectric surface illuminated by an evanescent wave // Opt. Commun. 2000. V. 185. P. 249–261.
13. Luk’yanchuk B.S., Zheng Y.W., Lu Y.F. Laser clea­ning of solid surface: Optical resonance and near-field effects // Proc. SPIE. 2000. V. 4065. P. 576–587.
14. Xifre-Perez E., Shi L., Tuzer U., Fenollosa R., Ramiro-Manzano F., Quidant R., Meseguer F. Mirror-image-induced magnetic modes // ACS Nano. 2012. V. 7, N 1. P. 664–668. DOI: 10.1021/nn304855t.
15. Vasista A.B., Tiwari S., Sharma D.K., Chaubey Sh.K., Pavan Kumar G.V. Vectorial fluorescence emission from microsphere coupled to gold mirror // Adv. Opt. Mater. 2018. V. 6. P. 1801025.
16. Yao J., Yin Y., Ye L., Cai G., Liu Q.H. Enhancing third-harmonic generation by mirror-induced electric quadrupole resonance in a metal–dielectric nanostructure // Opt. Lett. 2020. V. 45, N 20. P. 5864–5867. DOI: 10.1364/OL.400593.
17. Yue L., Yan B., Monks J., Dhama R., Wan Z., Minin O.V., Minin I.V. Photonic jet by a near-unity-refractive-index sphere on a dielectric substrate with high index contrast // Ann. Phys. 2018. V. 530, N 6. P. 1800032.
18. Aspnes D.E., Studna A.A. Dielectric functions and optical parameters of Si, Ge, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, and InSb from 1.5 to 6.0 Ev // Phys. Rev. 1983. V. B 27. P. 985–1009.
19. Roll G., Schweiger G. Geometrical optics model of Mie resonances // J. Opt. Soc. Am. 2000. V. A17. P. 1301–1311.
20. Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. М.: Мир, 1986. 660 с.
21. Huber T., Davanco M., Müller M., Shuai Y., Gazzano O., Solomon G.S. Filter-free single-photon quantum dot resonance fluorescence in an integrated cavity-waveguide device // Optica. 2020. V. 7. P. 380–385. DOI: 10.1364/OPTICA.382273.
22. Noginov M.A., Zhu G., Belgrave A., Bakker R., Shalaev V.M., Narimanov E.E., Stout S., Herz E., Suteewong T., Wiesner U. Demonstration of a spaser-based nanolaser // Nature. 2009. V. 460. P. 1110–1112. DOI: 10.1038/nature08318.
23. Lu D., Pedroni M., Labrador-Páez L., Marqués M.I., Jaque D., Haro-González P. Nanojet trapping of a single sub-10 nm upconverting nanoparticle in the full liquid water temperature range // Small. 2021. V. 17. P. 2006764. DOI: 10.1002/smll.202006764.
24. Sarkar A., Venkataraj R., Nampoori V.P.N., Kailasnath M. Silver nanoparticle assisted enhanced WGM lasing by silica microresonator // Opt. Commun. 2021. V. 494. P. 127045. DOI: 10.1016/j.optcom.2021.127045.
25. Grudinkin S.A., Dontsov A.A., Feoktistov N.A., Baranov M.A., Bogdanov K.V., Averkiev N.S., Golubev V.G. Whispering gallery modes in a spherical microcavity with a photoluminescent shell // Semicon­ductors. 2015. V. 49. P. 1369–1374. DOI: 10.1134/ S1063782615100085.
26. Wienhold T., Kraemmer S., Bacher A., Kalt H., Koos C., Koeber S., Mappes T. Efficient free-space read-out of WGM lasers using circular micromirrors // Opt. Express. 2015. V. 23. P. 1025–1034. DOI: 10.1364/ OE.23.001025.
2 7. Slezinger I.N. On the theory of flexible elastic plates // Sov. Appl. Mechan. 1972. V. 8. P. 732–737. DOI: 10.1007/BF00886279.
28. Reddy J.N. Theory and Analysis of Elastic Plates and Shells. Florida: CRC Press, 2006. 568 p. DOI: 10.1201/ 9780849384165.
29. Li M., Wang Y., Tian M., Cheng J., Jiang X., Tan Y. A compact and highly sensitive voice-eavesdropping microresonator // J. Lightwave Technol. 2021. V. 39. P. 6327–6333.
30. Zemlyanov A.A., Geints Yu.E. Intensity of optical field inside a weakly absorbing spherical particle irradiated by a femtosecond laser pulse // Opt. Spectrosc. 2004. V. 96. P. 298–304.
31. Козлова Е.С., Котляр В.В. Моделирование резонансной фокусировки пикосекундного и фемтосекунднго импульсов диэлектрическим микроцилиндром // Компьютерная оптика. 2015. Т. 39, № 3. С. 319–323.