參觀者可以在倫敦圣保羅大教堂 “悄悄話長廊 ”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化學(xué)特征、DNA 鏈甚至單個分子。

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)會儀器與測量期刊》（IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement）上的一項研究中，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。

圖片:barcodes-expand-range.jpg

廖和楊的創(chuàng)新技術(shù)允許同時監(jiān)測單個 WGM 諧振器內(nèi)的多個諧振模式，同時考慮每個模式的獨特響應(yīng)，從而大大擴(kuò)展了可實現(xiàn)的測量范圍。

WGM 傳感使用特定波長的光，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，循環(huán)光的共振頻率就會發(fā)生偏移。然后，研究人員就可以通過測量這種偏移來檢測和識別特定分子的存在。

“多模傳感使我們能夠捕捉到波長的多個共振變化，而不僅僅是一個，”廖解釋說。“有了多種模式，我們可以將光學(xué) WGM 傳感擴(kuò)展到更大的波長范圍，實現(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，但實際上我們受到了傳感設(shè)備的限制。在這項研究中，我們發(fā)現(xiàn)新方法的實驗極限大約是傳統(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)測方面，由于多模傳感技術(shù)能夠檢測溫度和壓力等環(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)對空氣和水污染程度的監(jiān)測。

這項新技術(shù)還能實現(xiàn)對化學(xué)反應(yīng)的連續(xù)監(jiān)測，這一點在楊的研究小組最近進(jìn)行的實驗中得到了證實。這種能力為化學(xué)過程的實時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。

廖補充說：“WGM諧振器的超高靈敏度使我們能夠探測單個粒子和離子，但這一強大技術(shù)的潛力尚未得到充分利用，因為我們無法直接使用這種超靈敏傳感器來測量完整的未知物。多模傳感技術(shù)使我們能夠探索未知世界。通過擴(kuò)大我們的動態(tài)范圍，觀察數(shù)以百萬計的粒子，我們可以承擔(dān)更多雄心勃勃的項目，解決現(xiàn)實世界中的問題�！�

相關(guān)鏈接：https://phys.org/news/2024-04-optical-barcodes-range-high-resolution.html

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