液体环境中微盘的高频光-力特性

在生物及医学领域，具有超高灵敏度质量探测的微纳机械谐振器在早期疾病诊断方面具有十分重要的作用。测定微观尺寸物体的质量通常需要用到微纳谐振器件，当谐振器上有附着外来物质时，其谐振频率会发生改变，从而探测到微小物体的质量。对于特定材料的谐振器，其灵敏度与自身的几何结构以及所处的环境媒质息息相关，因此，人们通过器件的不断小型化来提高其质量探测的灵敏度。生物探测通常要在液体环境中进行，而液体能够增大机械振动的阻尼，从而减弱探测的灵敏度。同时，器件尺寸越小，所受到来自液体的阻尼也会越大，这使得液态环境中高灵敏质量探测更加困难。为解决这一难题，人们曾尝试利用包含微流通道的机械悬臂来减少外界液体的阻尼，或利用毛细管的微流通道以及光波导的双重特性来实现高灵敏的光探测。但由于微流通道的存在，器件尺寸减小的空间不大。另一比较有效地方法是采用半导体微盘谐振器与外部光纤光路的耦合，通过其产生的WGM模式（whispery gallery mode）使微盘产生高频振荡并影响到光纤中的光的传输，通过测量射频噪声谱来获得微盘的共振频率，进而用于探测微小物体的质量。

最近，法国巴黎第七大学的Baker等人利用电子束曝光和干法/湿法刻蚀工艺在320nm厚的GaAs材料上制备出了GaAs微盘和光波导器件，利用波导表面产生的倏逝波激发GaAs微盘中的WGM模式。这种耦合作用会使得GaAs微盘及其支架发生共振，通过测量光波导中的射频噪声谱就能得到体系的共振频率（GHz）。如果将结构置于液体环境中，由于GaAs的高折射率，微盘和光波导结构的光学特性几乎不受影响。而在噪声谱中，谐振系统的有效质量和共振阻尼受液体的影响，谱峰会发生红移和宽化。文章从结构与粘性流体与普通声学流体相互作用的两个角度，分析结构与液体参数对噪声谱的品质因子和相对频移的影响，表明可以通过光信号（辐射光压和电致伸缩）来驱动微结构的高频振动，并可以通过理论模型来推算结构所处液体环境的特性。这为在液体中工作的光-机械微器件的工作原理建立了理论基础。相关研究结果发表在近期的Nature Nanotechnology (2015) 10, 810-816上。

图：GaAs微盘和光波导结构的器件照片和工作示意图