Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Whispering gallery modes (WGMs)“

La quantification de biomarqueurs spécifiques est un outil de diagnostic important. Les tests immunologiques standards tels que ELISA nécessitent de nombreuses étapes de lavage et une amplification du signal, en particulier à faible concentration. D'autre part, le transfert d'énergie résonant de type Förster (FRET) a été utilisé pour concevoir des tests biologiques homogènes en une seule étape qui ne nécessitent aucune étape de lavage, où le biomarqueur permet la formation d'un complexe "sandwich" impliquant des anticorps marqués par le donneur et d'autres marqués par l'accepteur. Le FRET du donneur vers l'accepteur fournit alors une signature optique de la formation du complexe, et donc du biomarqueur d'intérêt. Cependant, le FRET, qui est très sensible à la distance donneur-accepteur, ne se produit à un taux significatif que lorsque la distance donneur-accepteur est inférieure à 10 nm; la grande taille de nombreux complexes biologiques limite l'efficacité du transfert d'énergie, empêchant une détection sensible. Je propose ici une nouvelle modalité de transfert d'énergie qui utilise des microcavités optiques en solution. Ensuite, je décris un schéma de biodétection pour détecter un oligonucléotide biomarqueur de cancer en solution.À cette fin, j'ai conçu des structures de microcavité dans lesquelles des nanocristaux fluorescents sont placées à l'intérieur de microsphères diélectriques pour permettre un couplage fort de leur émission de fluorescence avec les modes de résonance de la cavité, appelés modes de galerie (WGM). J'ai étudié les propriétés structurelles et optiques de ces microcavités optiques. J'ai également caractérisé le transfert d'énergie entre ces modes et des nanoparticules acceptrices chargées de colorants présentes dans le champ évanescent, à quelques dizaines de nm au-dessus de la surface des microsphères. J’ai développé un modèle analytique pour caractériser les mécanismes de transfert d'énergie médié par les WGM (WGET). De plus, une comparaison entre WGET et FRET a révélé la supériorité du WGET dans le contexte de la construction de capteurs en termes de sensibilité et de portée de détection. Dans la dernière partie de la thèse, j’ai développé une stratégie pour fonctionnaliser ces microcavités optiques et leur permettre d'interagir avec des analytes cibles tels que l'ADN, l'ARN et les protéines avec une bonne spécificité. Cette stratégie a ensuite été adaptée pour fixer des sondes de capture d'ADN sur les microcavités activées par WGM. En utilisant les microsphères fixées à l'ADN comme donneur optique en combinaison avec des nanoparticules de colorants fonctionnalisées par un ADN complémentaire comme accepteurs optiques, un test de biodétection a été démontré avec succès pour détecter en solution un biomarqueur de cancer appelé survivine. Ce test a démontré une bonne sensibilité envers la cible, et s'est également avéré très spécifique. Le schéma de détection a été démontré dans un microscope confocal, au niveau de microsphères individuelles, puis transposé avec succès dans un instrument beaucoup plus simple tel qu'un spectrofluoromètre qui mesure la fluorescence de l'ensemble de la solution; la signature de la formation d'un complexe sandwich a été détectée efficacement.En conclusion, j'ai démontré que le transfert d'énergie assisté par microcavité présente plusieurs avantages par rapport aux tests FRET ordinaires. Un véritable test de biodétection basé sur le principe du WGET a également été conçu avec succès pour détecter des biomarqueurs du cancer avec une sensibilité et une spécificité élevées. Cette étude ouvre donc de nombreuses possibilités pour concevoir des tests plus performants et plus précis pour détecter diverses entités biologiques<br>Quantification of specific biomarkers is an important diagnostic tool. Standard immunoassays such as ELISA require extensive washing steps and signal amplification, in particular when the biomarker of interest is only present at very low concentrations. On the other hand, non-radiative Förster resonance energy transfer (FRET) has been used to design one-step homogenous bioassays which do not require any washing steps, where the biomarker enables the formation of a sandwich complex involving donor-labeled and acceptor-labeled antibodies. FRET from the donor to the acceptor then provides an optical signature of the complex formation, hence of the biomarker of interest. However, FRET which is highly sensitive to the donor-acceptor distance, only occurs in a significant rate when the distance between the donor and acceptor is less than 10 nanometers; thus the large size of many biological complexes limits the efficiency of energy transfer, preventing sensitive detection. Here I propose a novel energy transfer modality that uses solution-phase optical microcavities to enhance energy transfer. Following that, I describe a bio-sensing scheme designed to detect a cancer biomarker DNA in solution.To this aim, I have designed microcavity structures in which fluorescent colloidal quantum dots are located inside dielectric polymer microspheres to enable strong coupling of their fluorescence emission with the cavity resonance modes or whispering gallery modes (WGMs) of the microspheres. A detailed study was carried out to comprehend the structural and optical properties of these optical microcavities. I also characterized the energy transfer between these modes and acceptor dye-loaded nanoparticles present in the evanescent field, within a few tens of nanometers above the microsphere surface. An analytical model was constructed to provide insights into the WGM mediated energy transfer (WGET) mechanisms. Moreover, a comparison between WGET and FRET revealed the superiority of WGET in the context of building sensors with improved sensitivity and longer range of detection. In the last part of the thesis, a strategy is discussed in detail to provide biological functionalities to these optical microcavities which would enable them to interact with target analytes such as DNA, RNA, and proteins with high specificity, and moreover to reduce non-specific interactions. This strategy then was adapted to attach DNA capture probes onto the WGM enabled microcavities. Using the DNA attached microspheres as optical donor in combination with probe-DNA functionalized dye nanoparticles as optical acceptors, a biosensing assay has been successfully demonstrated to detect a cancer biomarker DNA called survivin in the solution phase. This assay did not only show good sensitivity towards the target, but also it has proven to be highly specific. The detection scheme has been demonstrated in a sophisticated confocal microscope at the single microsphere level, then successfully translated to a much simpler spectrofluorometer that measures fluorescence from the whole sample solution; the signature of the sandwich complex formation was also effectively detected.In conclusion, I demonstrated that microcavity-assisted energy transfer has several advantages over regular FRET assays. A real bio-sensing assay based on the WGET principle has also been successfully designed to detect cancer biomarkers with high sensitivity and specificity. This study thus opens up many possibilities to design high-performing and more accurate assays to detect varieties of biological entities

Anisotropic chalcogenide microsphere is introduced for coupling theoretical analyzing and coupling experiment. Whispering Gallery Modes (WGMs) of isotropic microsphere is introduced and the TE & TM WGMs dispersion relationship is derived from electromagnetic vector equations in the spherical coordinate. The Maxwell equations can be solved in 2D model for the 3D model of axisymmetric or Rotational symmetry isotropic microsphere. First 4 TE&TM WGMs are simulated in 2D model using finite-element weak method. The binding capability, mode volume V and quality factor Q depend on the refractive index and size of the microsphere. Plane wavefront light wave is assumed to propagate inside the microsphere; coupling coefficient is determined by WGMs numbers and the distance between the microsphere and the micro-taper. Coupling related Q factor is analyzed; TE & TM nonlinear microsphere coupling is introduced with Matlab simulation. Chalcogenide coupling experiments for transmission, reflection and drop-port function are conducted. The light waves for coupling are broadband incoherent light source and narrowband tunable laser. Broadband light gave sensitive results while the coherent laser gave easy coupling capability.The chalcogenide microsphere was used as a feedback element of an amplifying medium. Comparing with silica microsphere, chalcogenide microsphere?s response is more unstable due to free carriers perturbation and thermal activity.<br>Cette thèse présente une analyse théorique et expérimentale du couplage des microsphères anisotropes en verre de chalcogénure. Les modes de galerie résonants (WGMS) de microsphères isotrope sont aussi présentés et la relation de dispersion TE et TM des WGMS est dérivée à partir des équations vectorielles électromagnétiques en coordonnées sphériques. Les équations de Maxwell peuvent être résolues en 2D pour la résolution en 3D de microsphères axisymétriques ou a symétrie rotationnelle isotrope. Les quatre premiers WGMS TE et TM sont simulés dans le modèle 2D en utilisant la méthode des éléments finis. La capacité de liaison, le volume modal V et facteur de qualité Q dépendent de l'indice de réfraction et de la taille de la microsphère. On décompose une onde lumineuse en multiples fronts d'onde plan à l'intérieur de la microsphère; le coefficient de couplage entre une microsphère et un microfil est déterminé par le nombre de WGMS et la distance entre la microsphère et microfil. Le facteur de qualité Q est analysé; le couplage TE & TM de microsphères non linéaire est introduit à partir de simulations Matlab. Des expériences de couplage pour la transmission, la réflexion et le port à fonction «drop» sont conduites. Les ondes lumineuses pour le couplage proviennent d'une source de lumière à large bande incohérent et d'une source laser étroite accordable à bande étroite. La lumière à large bande a donné des résultats à haute sensibilité tandis que le laser cohérent facilite la mesure de couplage.En dernier lieu, les microsphères de chalcogénure ont été utilisées comme élément de rétroaction pour un milieu amplificateur. En comparaison avec des microsphères de silice, les microsphères de chalcogénure génèrent une réponse qui est plus instable due à la perturbation par les porteurs libres et l'activité thermique.

Thesis (Ph. D.)--University of Oregon, 2006.<br>Typescript. Includes vita and abstract. Includes bibliographical references (leaves 204-213). Also available for download via the World Wide Web; free to University of Oregon users.

For cavity quantum electrodynamics systems (cavity-QED) to play a role in quantum information processing applications and in quantum networks, they must be robust and scalable in addition to having a suitable method for the generation, processing and storage of quantum bits. One solution is to develop a composite system that couples a nitrogen vacancy (NV) center in diamond to a whispering gallery mode supported by a fused silica microsphere. Such a system is motivated by the optical and electron-spin properties of the NV center. The NV center is the leading spin-qubit and exhibits atomic like linewidths at cryogenic temperatures and has spin coherence times greater than milliseconds at room temperature. These long coherence times, coupled with nanosecond scale spin readout and manipulation times, allow for millions of quantum operations to be processed. Silica whispering gallery resonators are the only class of microresonators with quality factor high enough to reach the strong coupling regime, which is necessary for some quantum information processing applications. Integrating these two components into a system that could position a diamond nanopillar near the surface of a deformed-double stemmed microsphere system, with nanometer precision, at 10 K was a major achievement of this research. Cavity resonances in deformed microspheres can be excited with a free-space coupling technique which simplifies their integration into cryogenic environments. In these intentionally deformed resonators, an enhanced evanescent field decay length was observed at specific locations along the ray orbit. The double-stem arrangement enables the cavity resonance to be tuned over 450 GHz, with sub-10 MHz resolution, at 10 K. These two features, the enhanced decay length and broad range tuning with high resolution, are indispensible tools for cavity-QED studies with silica microspheres. Diamond nanopillars were fabricated from single crystal diamond with diameters as small as 140 nm in order to maintain a high quality factor. Studies were conducted on NV centers in nanopillars and bulk diamond to determine their suitability for cavity-QED applications. In an attempt to increase the light-matter interaction between NV centers and whispering gallery modes, diamond substrates were optically characterized that were irradiated with nitrogen ions.

This thesis presents the development of a refractometric sensor based on quantum dot-embedded polystyrene microspheres. The technique uses optical resonances within a microsphere, known as Whispering-Gallery Modes (WGMs), which produce narrow spectral peaks. The basic theory of WGMs is reviewed and specifically discussed for biosensing application. The spectral shifts of WGM peaks are sensitive to changes in the local refractive index. In the experiments, two-photon excited luminescence from the quantum dots couples into several WGMs within the microresonator. By optimizing the detection area, the spectral visibility of the WGMs is improved. The spectral shifts are measured as the surrounding index of refraction changes. The experimental sensitivity is about five times greater than that predicted by Mie theory. The sensor element is based on commercially available dielectric microspheres with a diameter about 10 μm. Thus, the technique is more economic and suitable for sensing applications, compared to microspheres of 100 μm in size which can only be made in the laboratory.

Optical resonators, which confine light by resonant recirculation, serve as the basis for a wide variety of optical components. Though they appear in many geometric forms, the most effective of optical resonators show axial symmetry in at least one dimension. A popular variation that finds broad application is the dielectric sphere. Acclaimed for their high quality (Q) factor and small modal volume, spheres owe credit of these attractive features to their support of whispering gallery mode (WGM) resonances. The sensitivity of a resonance's frequency and Q to strain, temperature, and other parameters of the surrounding medium can be the basis for ultracompact modulators and sensors. Physically, WGMs are special optical modes which can be understood as light rays that orbit the equator of the sphere guided by total internal reflection. Like a smooth stone can be skipped along the surface of a pond, light can be confined to the inside of a sphere by successive reflections. To best excite WGMs, the source light should initially trace a line tangent to the sphere's circumference. But incorporating a tiny sphere with such nanometric tolerances into a practical sensor structure has its challenges and the prospects for microsphere applications have suffered because of the plight of this problem. The work in this dissertation details the fabrication and function of three new "press fit" spherical resonators. These etched fiber micro-devices were developed to meet the demand for a robust, self-integrated means of coupling light between an optical fiber and WGMs in a microsphere resonator. The etching processes have been tuned to enable secure storage of a microsphere while also providing efficient excitation and interrogation of WGMs. Furthermore, the methods have been designed to be staightforward, quick, and repeatable. Using standard etchants on common polarization-maintaining fiber with readily purchased microspheres, the press fit resonators demonstrated here can be batch-fabricated and assembled. The press fit spherical resonator offers an alignment-free and conveniently pigtailed WGM coupler that has great potential for bio-science sensing applications and studies of resonant bispheres.<br>Ph. D.

Deux méthodes d'analyses électromagnétiques des Whispering Gallery (W. G) modes des R. D. Sont présentées dans ce mémoire. Une méthode approximative analytique et la méthode des éléments finis permettent de connaître avec précision la fréquence de fonctionnement et la cartographie du champ électromagnétique d'une structure microonde. Ces résultats couplés à une analyse électrique des dispositifs à résonateurs diélectriques ont permis la réalisation de filtres directifs et d'un combineur de puissance utilisant les W. G. Modes des résonateurs diélectriques.

L'objectif de ce travail a ete l'analyse, la conception, la realisation et le test d'oscillateurs et de combineurs de puissance pouvant fonctionner dans la bande millimetrique 90-100 ghz. L'absence d'analyseur de reseau dans cette bande de frequence, nous a tout d'abord conduit a la mise au point d'un banc de mesure manuel des caracteristiques des dispositifs millimetriques. Puis, les oscillateurs et les combineurs de puissance etant constitues par l'association d'un circuit actif et d'un circuit passif, nous nous sommes plus particulierement interesses a l'analyse de ces derniers. C'est ainsi qu'utilisant la methode numerique des elements finis, ont pu etre successivement definis les parametres electromagnetiques (frequence de resonance, repartition du champ) et electriques (schema equivalent) des circuits associant des lignes de transmission microstrip et des r. D. Excites sur leurs whispering gallery modes. Les modeles mis au point ont ensuite ete valides experimentalement a 100 ghz lors de la realisation et du test d'un oscillateur millimetrique a diode gunn delivrant 5 mw, et d'un combineur de puissance permettant d'additionner la puissance de sortie de trois sources independantes