Des scientifiques de l’Université de l’Arizona ont réussi à coupler en champ lointain la lumière à des microtoroïdes à facteur de qualité ultra-élevé à l’aide d’un seul objectif. Cela pourrait constituer la base d’une plate-forme de détection microtoroïde entièrement multiplexée sur puce.
Le papier est publié dans la revue Lumière : science et applications.
Des capteurs rapides et sensibles sans étiquette sont nécessaires pour de nombreuses applications biochimiques, notamment les diagnostics et pronostics précoces, la surveillance de la qualité des aliments et de l’eau, la détection des menaces chimiques et la détection précoce des gaz dangereux. Les résonateurs optiques microtoroïdes en mode galerie Whispering (WGM) sont l’un des capteurs biochimiques les plus sensibles qui existent, capables de détecter une seule molécule.
La lumière est généralement couplée à ces résonateurs à l’aide d’une fibre optique conique, qui se casse facilement, est sujette au bruit vibratoire et prend du temps à fabriquer, nécessitant une instrumentation volumineuse et coûteuse ainsi qu’une expertise spécialisée. L’utilisation de fibres optiques coniques constitue le principal obstacle au lancement de ces capteurs en dehors du laboratoire.
Dirigé par le professeur Judith Su, un groupe de recherche du Wyant College of Optical Sciences et du Département de génie biomédical de l’Université de l’Arizona a démontré un moyen d’éliminer le besoin d’une fibre effilée en effectuant une excitation en champ lointain avec un SNR > 26. dB. Cela a été réalisé en utilisant un objectif unique pour l’excitation du résonateur, la surveillance de la longueur d’onde de résonance et l’imagerie.
Le système est plus compact, plus rentable et plus stable que les coupleurs coniques à base de fibres. Le processus compliqué de tirage d’une fibre conique n’est plus nécessaire. Des facteurs de très haute qualité (> 108) ont été obtenus en utilisant des microtoroïdes de 100 microns de diamètre. L’équipe de Su a montré qu’il était possible d’améliorer l’efficacité du couplage en champ lointain en utilisant un faisceau laser très divergent et qu’en balayant le faisceau en champ lointain, il était possible d’étudier le profil du champ électrique à l’intérieur du résonateur.
La réalisation d’un système d’excitation en champ lointain rend les plates-formes de détection de résonateurs microtoroïdes entièrement sur puce réalisables pour une utilisation sur le terrain. Le groupe de Su a déjà démontré que les résonateurs microtoroïdes peuvent détecter des gaz dangereux à de faibles parties par billion, et qu’un système de détection précoce de gaz dangereux destiné à une utilisation pratique pourra donc être bientôt développé. Les performances de détection de ce système ont été vérifiées par une expérience de détection de température.
En parallèle, le groupe de Su travaille à l’adaptation du système pour la détection par biodétection dans les environnements aqueux ainsi qu’au multiplexage des capteurs pour une détection multi-cibles simultanée.
« Nous pensons que ce système de couplage en champ lointain peut être utilisé pour la spectroscopie et la biodétection, et constitue le fondement d’une plate-forme de détection par résonateur microtoroïde entièrement sur puce. Cette approche a rendu nos expériences beaucoup plus faciles. Nous visons à miniaturiser notre système pour le rendre plus pratique pour une utilisation pratique », a déclaré Sartanee Suebka, premier auteur de l’article.
Plus d’information:
Sartanee Suebka et al, Couplage en espace libre ultra-élevé aux résonateurs microtoroïdes, Lumière : science et applications (2024). DOI : 10.1038/s41377-024-01418-0