微球激光在极高灵敏度传感器方面的原理及应用

激光微球腔以其特有的回音壁模式，极高的品质因子和极小的模式体积，在近年来引起了广泛的关注。它在非线性光学、腔体量子电动力学、低阈值激光器研究及量子光学等领域有着重要的应用。本文综述了微球激光在极高灵敏度传感器方面的原理及最新的研究进展。

一、引言

微球谐振腔是半径从几微米到几百微米的球形光学谐振腔。通过在微球表面不断的发生全反射，微球腔将光约束在赤道平面附近并沿大圆绕行[1]，激发出特有的回音壁模式(whispering gallery mode，简称WGM或WG)。由于全反射的作用，球外光场为倏逝场，这种光波是非传播波，因此渗出微球以外的光是及其微弱的，所以它能够将光约束在很小的体积内很长时间而几乎没有任何损失，故微球谐振腔以其拥有能够将能量长时间储存在很小的体积内的能力而备受关注[2]。正因为微球谐振腔具有极高的品质因子(达到1010)和极小的模式体积[3]，使它在非线性光学、腔体量子电动力学、低阈值激光器及量子光学等研究领域独具优势。

近年来，对于激光微球谐振腔的研究成了一个新兴的热点，各国科学家都做了很多重要的工作。加州理工学院的实验组用锥形光纤与微球腔近场耦合，耦合效率达到99.97%[4]，这是自1989年Branginsky等人首次使用熔融二氧化硅介质微球通过棱镜耦合[5]以来的一个重要进展。在理论方面，Chai Jin-Hua等给出了微球激光的线性和非线性的半经典理论[6]。在理论、实验和工艺并进发展的基础上，微球激光在众多领域得到了广泛的应用。Spillane等做出的微球非线性拉曼(Raman)源测得的阈值是以前实测的千分之一[1]。

微球激光腔应用于传感器领域，主要应用了微球谐振腔自身内部或者自身与外界相互作用的灵敏反应，诸如频率或光谱的变化。一般地说，很多外部因素可对其造成影响，如改变耦合器件与谐振腔的距离，或让微小物体接近球外的倏逝场影响谐振腔的模式;从内部造成影响的方法则有改变腔内光程，例如球体的形变或者折射率的改变等[7]。由于微球谐振腔的作用，使得生物传感器、温度传感器和加速度传感器的精度和灵敏度等性能指标大大提高。

二、在极高灵敏度生物传感器上的应用

通过外界微小粒子在微球表面附近与球外的倏逝场相互作用引起本征模式的微小变化，使得激光波长变化而产生可观察效果，Vollmer等人正是利用这种方法发明了一种“精度前所未有的” 生物传感器[8]，他的实验小组还对该传感器的工作原理进行了理论分析[9]10]。