Resonator mikro optik (OMR) adalah struktur dielektrik yang dapat mempertahankan ragam galeri berbisik (whispering gallery mode/WGM). Teknik OMR ini menghasilkan gelombang elektromagnetik dengan kerugian refleksi minimal dan kualitas factor Q yang sangat tinggi. WGM dapat dengan mudah dibuat dengan menggunakan berbagai bentuk resonator mikro seperti cakram mikro, mikrosfer, dan mikropilar. Dengan demikian, OMR berperan sebagai filter optik, laser mikro, elektrodinamika kuantum rongga, perangkat fotonik dan aplikasi penginderaan. WGM sangat bergantung pada refleksi internal total di rongga eksternal antarmuka. Ketika ada kontras indeks bias (RI) yang besar antara inang dan rongga, kehilangan radiasi dapat diminimalkan karena adanya peningkatan faktor Q.
Penginderaan kelembaban terjadi karena interaksi antara komponen ingatan WGM dengan analit ambien. Pengukuran penginderaan dapat dicirikan oleh perubahan amplitudo (penyerapan) dan perubahan fasa (perubahan indeks bias). Perubahan ini akan mengarah pada teknik pemantauan langsung. Mikrosfer resonator (MsR) telah dipilih untuk riset ini di antara semua OMR. Ini adalah resonator WGM yang paling sederhana tiga dimensi dengan diameter 10—100 yang pertama kali ditemukan oleh F-Vollmer di 2002. Sejak pertama kali diperkenalkan, teknik ini telah menjadi salah satu pilihan favorit untuk sensor berbasis microcavity. Faktor Q yang lebih tinggi dibandingkan dengan jenis WGM lainnya hingga mencapai 1010 yang sangat cocok untuk deteksi molekuler konsentrasi rendah. Meskipun proses fabrikasinya mudah, MsR berbeda dari resonator cincin pandu gelombang planar lainnya yang dapat mendukung ragam kompleks dengan medan radial, ekuatorial, dan kebergantungan kutub. Ini juga memiliki kerugian optik total yang sangat rendah yang menghasilkan nilai Q yang sangat tinggi dengan garis panjang gelombang resonansi yang sempit dan rapat energi yang tinggi.
Dalam riset ini digunakan WGM dalam MsR dan RI nanorod ZnO yang dapat diubah untuk penginderaan kelembaban. MsR digabungkan ke serat meruncing yang juga dikenal sebagai microfiber. WGM dari MsR tertarik dengan penyatuan cahaya yang menggunakan microfiber. Ini bekerja berdasarkan interaksi antara cahaya dan ZnO-nanorods sebagai bahan pelapis yang sensitif. Perubahan kelembaban di sekitarnya dapat diindikasikan dengan variasi daya luaran yang ditransmisikan. ZnO dipilih sebagai bahan sensitif karena menunjukkan permukaan reaktif untuk memungkinkan absorbsi air pada suhu kamar. Dengan demikian, respon penginderaan yang lebih baik akan terjadi jika lebih banyak molekul air yang teradsorpsi pada permukaan material. Ini memberikan luas permukaan yang lebih besar dengan volume yang sama dibandingkan dengan bahan curah. Namun, bahan nano yang dilapisi pada microfiber telah terbukti rumit untuk ditangani selama proses sintesis yang dapat merusak kinerja microfiber. Oleh karena itu, kami menggunakan permukaan kaca dilapisi MsR dan ZnO nanorods terintegrasi untuk memecahkan masalah kerumitan tersebut. Keunggulan teknik ini adalah mengurangi kerumitan untuk mengakses interaksi lapisan pelapis ZnO dan gelombang evanescent dari MSR untuk penginderaan. Struktur hibrida mampu memaksimalkan akses gelombang dan membuka peluang besar untuk aplikasi penginderaan karena fitur uniknya seperti sensitivitas tinggi, linearitas tinggi, kekompakan, dan pengukuran yang stabil.
Hasil menunjukkan WGM yang ditransmisikan dari MsR digabungkan dengan struktur ZnO nanorods coated glass (MsR-ZnO). Panjang gelombang resonansi WGM telah diidentifikasi dari spektrum transmisi pada sekitar 1.550 nm. Faktor-Q dihitung berdasarkan rumus Q=λ/Δλ di mana λ adalah panjang gelombang resonansi dan Δλ adalah lebar penuh pada setengah maksimum dari spektrum transmisi. Faktor Q yang sesuai dihitung adalah 6,46×106 untuk panjang gelombang resonansi pada 1550,56 nm. Faktor Q ultratinggi dari resonator WGM akan menyebabkan kepadatan energi yang tinggi, lebar garis panjang gelombang resonansi yang sangat sempit, waktu siklus yang lebih lama untuk foton di rongga dan interaksi yang ditingkatkan antara cahaya dan lingkungan eksternal. Jadi, ketika ada sedikit perubahan lingkungan eksternal, sensitivitas yang lebih tinggi dan batas deteksi yang lebih rendah dapat diperoleh dibandingkan dengan penurunan WGM lainnya. Q-factor sangat bergantung pada karakteristik loss dari struktur, yang menyebabkan kebocoran energi optik dari resonator. Kerugian tersebut disebabkan oleh hamburan, kekasaran permukaan, penyerapan karena resonansi molekul, kontaminasi permukaan, kopling energi sepanjang serat lancip dan radiasi karena kelengkungan batas selama propagasi.
Pergeseran panjang gelombang menuju penginderaan kelembaban menunjukkan spektrum luaran microfiber yang diletakkan di atas nanorod ZnO (SmF-ZnO). Terlihat bahwa spektrum puncak bergeser dari 1530,16 nm menjadi 1530,72 nm dengan kenaikan kelembaban dari 35% sampai 85%. Hasil menunjukkan panjang gelombang resonansi dengan penggabungan MsR yang meningkat secara monoton ketika %RH meningkat. Panjang gelombang bergeser dari 1550.05 nm ke 1550.75 nm ketika kelembaban berubah dari 35% menjadi 85% RH. Itu jumlah pergeseran adalah 0,7 nm, yang lebih besar dari SmF-ZnO (0,56 nm). MsR-ZnO lebih baik sensitivitas yaitu 0,0142 nm/%RH dibandingkan dengan SmF-ZnO dengan 0,0097 nm/%RH. MsR-ZnO juga menghasilkan linearitas sebesar 99,8% yang lebih baik dari SmF-ZnO sebesar 98,1%. Ketika WGM terbatas di dalam resonator, sebagian energi akan menyebar dalam bentuk medan cepat berlalu ke media sekitarnya. Interaksi antara medan ragam dan analit akan menyebabkan peningkatan RI efektif karena analit yang melekat pada permukaan mikro-resonator yang meningkatkan sensitivitas sensornya. MsR memiliki resonator dielektrik dalam struktur melingkar yang mendukung osilasi elektromagnetik permukaan dan digabungkan dengan cepat ke pemandu gelombang terdekat. Ini menghasilkan beberapa penurunan transmisi daya karena akan membatasi cahaya di dalam resonator. Penurunan pada panjang gelombang resonansi dalam spektrum transmisi adalah disebabkan oleh cahaya keluar digabungkan ke dalam serat meruncing. MsR akan menunjukkan pergeseran panjang gelombang resonansi saat perubahan RI bola yang memungkinkan MsR untuk melacak jumlah perubahan biologi dan kimia. Resonansi WGM sangat dipengaruhi oleh indeks bias media resonator sekitarnya. Ini berinteraksi dengan gelombang dari bidang WGM ketika mengelilingi analit di permukaan resonator dan menghasilkan pergeseran panjang gelombang atau perubahan faktor Q. Hal ini membuat MsR-ZnO memiliki sensitivitas yang lebih baik dibandingkan dengan SmF-ZnO.
Kesimpulannya, mikrosfer diletakkan di atas nanorod ZnO kaca berlapis telah menunjukkan kinerja penginderaan yang lebih baik dibandingkan dengan serat mikro lurus yang diletakkan di atas lapisan yang sama same kaca. MsR-ZnO menghasilkan sensitivitas yang lebih baik dari 0,0142 nm/%RH dibandingkan dengan SmF-ZnO sebesar 0,0097 nm/%RH. MsR-ZnO juga memiliki linearitas yang lebih baik, dengan 99,8% dibandingkan dengan SmF–ZnO sebesar 98,1%. WGM dari MsR dirangsang oleh penyambungan dari cahaya menggunakan microfiber yang mengarah pada perubahan daya luaran yang ditransmisikan saat terkena variasi konsentrasi tingkat kelembaban.
Penulis : Prof. Dr. Moh. Yasin, M.Si.
Informasi detail dari riset ini dapat dilihat pada tulisan kami di:
https://link.springer.com/article/10.1007/s11801-021-0109-3
Mohd Hafiz Jali, Hazli Rafis Abdul Rahim, Md Ashadi Md Johari, Maslinda Mat Sharif , Siti Halma Johari, Siddharth Thokchom, Habibah Mohamed, Moh Yasin, and Sulaiman Wadi Harun., Applied whispering gallery modes on ZnO nanorods coated glass for humidity sensing application
