基于微环谐振腔激光发射的高精度折射率变化检测技术研究

本研究针对生物医学和化学反应监测中对折射率(RI)变化的原位高精度检测需求，提出了一种基于四能级双电子增益材料模型的微环谐振腔激光传感器。通过三维时域有限差分(3D-FDTD)方法，研究人员创新性地发现环形波导中激发的激光模式耦合方向对RI变化具有超高灵敏度（检测限达0.001），并首次实现通过泵浦强度调控激光模式的ON/OFF切换。该成果为芯片实验室设备开发提供了新型RI传感平台，发表于《Optics and Lasers in Engineering》。

　　

在生物医学检测和化学分析领域，实时监测溶液折射率变化犹如"捕捉分子呼吸的脉搏"。传统基于表面等离子体共振(SPR)和 whispering gallery modes(WGM)的传感器虽广泛应用，却受制于金属材料损耗大、氧化稳定性差、仅适用TM偏振等瓶颈。更棘手的是，现有技术多依赖被动介质中的频移或谱宽变化，检测灵敏度遭遇"天花板"。如何突破0.001量级的RI检测极限，同时实现光学响应信号的主动调控，成为困扰学界多年的"双料难题"。

针对这一挑战，国内研究人员在《Optics and Lasers in Engineering》发表创新成果。该团队独辟蹊径，将主动激光介质与微环谐振腔巧妙结合：采用宽度300nm、高度1μm的硅基环形波导，通过50nm间隙耦合线性波导，构建起"激光发射式"传感系统。借助三维时域有限差分(3D-FDTD)仿真，研究人员首次捕捉到环形腔中顺时针(CW)与逆时针(CCW)激光模式耦合方向的RI响应特性，并创新性地引入四能级双电子增益材料模型，实现泵浦强度对激光输出的"开关式"调控。

关键技术方法包括：1）建立包含SiO₂基底和Si波导的3D-FDTD模型；2）采用四能级两电子系统模拟增益介质；3）通过时域场分布监测激光模式演化；4）分析不同半径(1-3μm)环形腔的模态特性；5）优化50nm间隙的耦合效率。

【Effect of ring resonator radius】研究发现：当半径R₂=2μm时，激光在30ps后形成稳定驻波，此时电场强度|E_z|达最大值1.5×10⁷ V/m，品质因数Q提升3个数量级。

【Effect of gap separation】50nm间隙实现最佳临界耦合状态，左侧输出功率比右侧高82%，这种不对称耦合特性成为RI检测的"光学标尺"。

【Influence of electric field intensity】泵浦强度10⁷ V/m时，RI变化0.001导致输出端功率反转，验证了"激光罗盘"效应的灵敏度。

【RI variation response】当环境RI从1.33增至1.34时，激光模式耦合方向发生90°偏转，相当于传统传感器100倍频移的等效响应。

【ON/OFF switching】通过调节泵浦强度在9-11×10⁶ V/m区间，实现RI触发的激光模式开关切换，建立"光逻辑门"传感新范式。

这项研究突破性地将激光动力学与RI传感相结合，首次揭示激光模式耦合方向的环境响应机制。相比传统被动式传感器，其优势体现在三方面：检测灵敏度突破0.001量级、具备主动调控能力、避免金属材料损耗问题。所提出的"光学开关"效应为开发新一代片上生化传感器开辟道路，特别是在微量病原体检测和化学反应动力学监测方面具有重大应用前景。研究团队特别指出，该结构未来可与CMOS工艺兼容，为芯片实验室设备的产业化提供关键技术支撑。