光学条形码扩大高分辨率传感器的应用范围

参观者可以在伦敦圣保罗大教堂 “悄悄话长廊 ”的圆形穹顶上或圣路易斯联合车站的 “悄悄话拱门 ”上喃喃自语，同样的几何奇特现象也使高分辨率光学传感器的制造成为可能。几十年来，“悄悄话画廊模式”（WGM）谐振器一直被用于检测化学特征、DNA 链甚至单个分子。

与 “悄悄话走廊 ”结构弯曲和聚焦声波的原理相同，WGM 微谐振器也能将光线限制和聚焦在极小的圆形路径上。这使 WGM 谐振器能够检测和量化物理和生化特性，使其成为生物医学诊断和环境监测等领域高分辨率传感应用的理想选择。

然而，WGM 谐振器的动态范围窄、分辨率和精度有限，限制了其广泛应用。

在最近发表在《电气和电子工程师协会仪器与测量期刊》（IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement）上的一项研究中，圣路易斯华盛顿大学麦凯威工程学院普雷斯顿-格林电气与系统工程系的埃德温-斯金纳教授（Edwin H. & Florence G. Skinner Professor）杨澜和博士后助理研究员Jie Liao展示了一种克服这些限制的变革性方法：用于多模传感的光学 WGM 条形码。

图片:barcodes-expand-range.jpg

廖和杨的创新技术允许同时监测单个 WGM 谐振器内的多个谐振模式，同时考虑每个模式的独特响应，从而大大扩展了可实现的测量范围。

WGM 传感使用特定波长的光，这种光可以在微谐振器的周边循环数百万次。当传感器遇到分子时，循环光的共振频率就会发生偏移。然后，研究人员就可以通过测量这种偏移来检测和识别特定分子的存在。

“多模传感使我们能够捕捉到波长的多个共振变化，而不仅仅是一个，”廖解释说。“有了多种模式，我们可以将光学 WGM 传感扩展到更大的波长范围，实现更高的分辨率和精度，并最终传感更多的粒子。

Liao 和 Yang发现了 WGM 检测的理论极限，并用它来估算多模系统的传感能力。他们将传统的单模传感与多模传感进行了比较，发现单模传感受限于激光硬件，范围非常窄--约 20 皮米（pm），而使用相同的设置，多模传感的范围可能是无限的。

Liao 说：“更多的共振意味着更多的信息。我们得出了理论上的无限范围，但实际上我们受到了传感设备的限制。在这项研究中，我们发现新方法的实验极限大约是传统 WGM 传感方法的 350 倍。”

Yang说，多模 WGM 传感技术的商业应用可能包括生物医学、化学和环境用途。例如，在生物医学应用中，研究人员可以以前所未有的灵敏度检测分子相互作用的微妙变化，从而改进疾病诊断和药物发现。

在环境监测方面，由于多模传感技术能够检测温度和压力等环境参数的微小变化，因此可以建立自然灾害预警系统，或促进对空气和水污染程度的监测。

这项新技术还能实现对化学反应的连续监测，这一点在杨的研究小组最近进行的实验中得到了证实。这种能力为化学过程的实时分析和控制带来了希望，为制药、材料科学和食品工业等领域提供了潜在应用。

廖补充说：“WGM谐振器的超高灵敏度使我们能够探测单个粒子和离子，但这一强大技术的潜力尚未得到充分利用，因为我们无法直接使用这种超灵敏传感器来测量完整的未知物。多模传感技术使我们能够探索未知世界。通过扩大我们的动态范围，观察数以百万计的粒子，我们可以承担更多雄心勃勃的项目，解决现实世界中的问题。”

相关链接：https://phys.org/news/2024-04-optical-barcodes-range-high-resolution.html

论文链接：https://dx.doi.org/10.1109/TIM.2024.3352712