參觀者可以在倫敦圣保羅大教堂 “悄悄話長(zhǎng)廊 ”的圓形穹頂上或圣路易斯聯(lián)合車站的 “悄悄話拱門 ”上喃喃自語，同樣的幾何奇特現(xiàn)象也使高分辨率光學(xué)傳感器的制造成為可能。幾十年來，“悄悄話畫廊模式”（WGM）諧振器一直被用于檢測(cè)化學(xué)特征、DNA 鏈甚至單個(gè)分子。

與 “悄悄話走廊 ”結(jié)構(gòu)彎曲和聚焦聲波的原理相同，WGM 微諧振器也能將光線限制和聚焦在極小的圓形路徑上。這使 WGM 諧振器能夠檢測(cè)和量化物理和生化特性，使其成為生物醫(yī)學(xué)診斷和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域高分辨率傳感應(yīng)用的理想選擇。

然而，WGM 諧振器的動(dòng)態(tài)范圍窄、分辨率和精度有限，限制了其廣泛應(yīng)用。

在最近發(fā)表在《電氣和電子工程師協(xié)會(huì)儀器與測(cè)量期刊》（IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement）上的一項(xiàng)研究中，圣路易斯華盛頓大學(xué)麥凱威工程學(xué)院普雷斯頓-格林電氣與系統(tǒng)工程系的埃德溫-斯金納教授（Edwin H. & Florence G. Skinner Professor）楊瀾和博士后助理研究員Jie Liao展示了一種克服這些限制的變革性方法：用于多模傳感的光學(xué) WGM 條形碼。

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廖和楊的創(chuàng)新技術(shù)允許同時(shí)監(jiān)測(cè)單個(gè) WGM 諧振器內(nèi)的多個(gè)諧振模式，同時(shí)考慮每個(gè)模式的獨(dú)特響應(yīng)，從而大大擴(kuò)展了可實(shí)現(xiàn)的測(cè)量范圍。

WGM 傳感使用特定波長(zhǎng)的光，這種光可以在微諧振器的周邊循環(huán)數(shù)百萬次。當(dāng)傳感器遇到分子時(shí)，循環(huán)光的共振頻率就會(huì)發(fā)生偏移。然后，研究人員就可以通過測(cè)量這種偏移來檢測(cè)和識(shí)別特定分子的存在。

“多模傳感使我們能夠捕捉到波長(zhǎng)的多個(gè)共振變化，而不僅僅是一個(gè)，”廖解釋說�！坝辛硕喾N模式，我們可以將光學(xué) WGM 傳感擴(kuò)展到更大的波長(zhǎng)范圍，實(shí)現(xiàn)更高的分辨率和精度，并最終傳感更多的粒子。

Liao 和 Yang發(fā)現(xiàn)了 WGM 檢測(cè)的理論極限，并用它來估算多模系統(tǒng)的傳感能力。他們將傳統(tǒng)的單模傳感與多模傳感進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)單模傳感受限于激光硬件，范圍非常窄--約 20 皮米（pm），而使用相同的設(shè)置，多模傳感的范圍可能是無限的。

Liao 說：“更多的共振意味著更多的信息。我們得出了理論上的無限范圍，但實(shí)際上我們受到了傳感設(shè)備的限制。在這項(xiàng)研究中，我們發(fā)現(xiàn)新方法的實(shí)驗(yàn)極限大約是傳統(tǒng) WGM 傳感方法的 350 倍�！�

Yang說，多模 WGM 傳感技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用可能包括生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)和環(huán)境用途。例如，在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，研究人員可以以前所未有的靈敏度檢測(cè)分子相互作用的微妙變化，從而改進(jìn)疾病診斷和藥物發(fā)現(xiàn)。

在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面，由于多模傳感技術(shù)能夠檢測(cè)溫度和壓力等環(huán)境參數(shù)的微小變化，因此可以建立自然災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，或促進(jìn)對(duì)空氣和水污染程度的監(jiān)測(cè)。

這項(xiàng)新技術(shù)還能實(shí)現(xiàn)對(duì)化學(xué)反應(yīng)的連續(xù)監(jiān)測(cè)，這一點(diǎn)在楊的研究小組最近進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中得到了證實(shí)。這種能力為化學(xué)過程的實(shí)時(shí)分析和控制帶來了希望，為制藥、材料科學(xué)和食品工業(yè)等領(lǐng)域提供了潛在應(yīng)用。

廖補(bǔ)充說：“WGM諧振器的超高靈敏度使我們能夠探測(cè)單個(gè)粒子和離子，但這一強(qiáng)大技術(shù)的潛力尚未得到充分利用，因?yàn)槲覀儫o法直接使用這種超靈敏傳感器來測(cè)量完整的未知物。多模傳感技術(shù)使我們能夠探索未知世界。通過擴(kuò)大我們的動(dòng)態(tài)范圍，觀察數(shù)以百萬計(jì)的粒子，我們可以承擔(dān)更多雄心勃勃的項(xiàng)目，解決現(xiàn)實(shí)世界中的問題。”

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論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1109/TIM.2024.3352712