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个参考干涉仪，利用回音壁模式传感技术检测直径约为数十纳米的粒子，并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数十万次，当粒子附着在微腔表面时，将显著改变其光学特性。

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，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俘获特性，以及用于流感病毒等单个分子的高灵敏度检测。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。

该耦合器的一根输出光纤应盘成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，后续用于调节光传输。将这些光纤连接到第二个3 dB定向耦合器的输入端口后，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级搁架单元内，该单元置于一个由泡沫塑料箱包围的丙烯酸容器中，容器内需填充50%冰与50%液态水的混合物，出于稳定性考虑，建议使用刨冰而非冰块。然而，无论使用哪种冰，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可探测耳语回廊模式微腔的配置中。

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，以线性扫描激光馈入一个100赫兹、峰峰值为1伏的斜坡信号。随后，平衡光电探测器的输出应呈现正弦波形。下一步是适当调节偏振控制器，以优化正弦波形的峰峰值电压。

为了将激光器配置为连续波输出，将波形发生器设置为直流模式，并调节使其之前的信号在零附近波动。通过使用电谱分析仪监测信号，最终可以确定自由光谱范围。这可以通过找到零频率处的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。

然后剥离端面。务必安全处理多余的光纤。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，并可通过光学显微镜物镜进行观察。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。使用实验室专用软件拉动光纤。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。这标志着锥形区域已细至足以支持单一包层模式。将光纤夹具从平移台上取下，并将其固定在靠近功率放大器（PAs）和电控平移台的位置，以便支撑您的微腔结构。

在该步骤中，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、发网以及一副乳胶手套。设置好工作台后，取出50纳米半径的单分散空心二氧化硅微球，该微球在未使用时应保存在4°C环境中。

制备好微球在ECCOs磷酸盐缓冲液或DPBS中的10皮摩尔溶液后，使用微量移液器在1毫升离心管中配制纯DPBS溶液。接下来，将900微升DPBS分别注入另外两个离心管中。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物质，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。

将溶液放入其中，确保位置交错以保持平衡。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，将容器抽真空以脱气混合物，将干燥器部分浸入超声波清洗仪的水浴中，用超声波处理溶液30分钟。随后将容器从水浴中取出，打开真空，重新充入空气，并收集溶液。

记得将离心管的管盖拧紧。接下来的步骤将集中在构建一个流体输送系统。支架搭建完成后，截取一段略长于一英尺的微流控管路。

将一个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泄漏。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。接着，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，用移液枪吸取适量水，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。参考干涉系统设置完成后，配置示波器的触发设置，并运行自制软件以采集信号轨迹。随后，可先采集缓冲液的共振曲线，该曲线最多仅应表现出频率分裂现象；接下来，按浓度从低到高的顺序采集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，在此特定示例中，可通过将上方子图中的共振结构与干涉仪信号进行比较来提取品质因子。在下方子图中，该次实验在缓冲溶液中浸没时的品质因子约为 2 亿。

此外，在通过该流程构建参考信息器件后，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，您应已充分了解此类驻波辅助器件的工作原理，以及如何将其耦合到您自己的系统中。同时，您还应清楚如何通过 whispering error mode 腔实现自参考检测。