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- 光學(xué)條碼擴(kuò)展了高分辨率傳感器的范圍
- 來(lái)源：肖恩·巴拉德，圣路易斯華盛頓大學(xué) 發(fā)表于 2025/11/30
楊博士在麥凱爾維工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)創(chuàng)新光學(xué)傳感技術(shù)利用多模共振提升傳感能力。通過(guò)分析共振譜中的模式，創(chuàng)新的條碼技術(shù)提供了傳感器周?chē)h(huán)境的詳細(xì)信息，在各種傳感應(yīng)用中提升了動(dòng)態(tài)范圍和精度。圖片來(lái)源：楊實(shí)驗(yàn)室
同樣的幾何特性讓參觀者能在倫敦圣保羅大教堂耳語(yǔ)畫(huà)廊的圓形圓頂周?chē)吐晜鬟_(dá)信息，或穿越圣路易斯聯(lián)合車(chē)站的耳語(yǔ)拱門(mén)，同時(shí)也使得高分辨率光學(xué)傳感器的構(gòu)建成為可能。耳語(yǔ)廊模（WGM）諧振腔已被用于檢測(cè)化學(xué)特征、DNA鏈甚至單分子，已有數(shù)十年歷史。
就像耳語(yǔ)廊的建筑能夠彎曲和聚焦聲波一樣，WGM微共振器將光束縛并集中在一個(gè)微小的圓形路徑中。這使得WGM諧振腔能夠檢測(cè)和定量物理及生化特性，非常適合生物醫(yī)學(xué)診斷和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的高分辨率傳感應(yīng)用。
然而，WGM諧振腔的廣泛應(yīng)用受限于其狹窄的動(dòng)態(tài)范圍以及有限的分辨率和精度。
在最近發(fā)表在《IEEE 儀器與測(cè)量匯刊》上的一項(xiàng)研究中，圣路易斯華盛頓大學(xué)麥凱爾維工程學(xué)院普雷斯頓·M·格林電氣與系統(tǒng)工程系的楊蘭和弗洛倫斯·G·斯金納教授和博士后研究員廖杰展示了一種變革性方法來(lái)克服這些局限： 用于多模傳感的光學(xué)WGM條碼。
廖和楊的創(chuàng)新技術(shù)允許在單個(gè)WGM諧振腔內(nèi)同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)共振模態(tài)，考慮每種模態(tài)的不同響應(yīng)，極大地?cái)U(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，可以在微諧振腔周邊循環(huán)數(shù)百萬(wàn)次。當(dāng)傳感器遇到分子時(shí)，循環(huán)光的共振頻率會(huì)發(fā)生變化。研究人員隨后可以測(cè)量這種位移，以檢測(cè)和識(shí)別特定分子的存在。
廖解釋道：“多模感測(cè)讓我們能夠捕捉到波長(zhǎng)上的多重共振變化，而不僅僅是一次�！绷谓忉尩�。“通過(guò)多種模式，我們可以將光學(xué)WGM傳感擴(kuò)展到更廣泛的波長(zhǎng)范圍，實(shí)現(xiàn)更高的分辨率和精度，最終探測(cè)到更多的粒子。”
廖和楊找到了WGM檢測(cè)的理論極限，并用它估算了多模系統(tǒng)的傳感能力。他們比較了傳統(tǒng)單模和多模傳感，發(fā)現(xiàn)雖然單模傳感受限于非常窄的范圍——約20皮米（pm），受激光硬件限制;但使用相同設(shè)備，多模傳感的射程可能無(wú)限。
“共鳴越多，信息越多，”廖說(shuō)�！拔覀兺茖�(dǎo)出理論上無(wú)限的范圍，盡管實(shí)際上受限于感應(yīng)裝置。在這項(xiàng)研究中，我們發(fā)現(xiàn)的新方法實(shí)驗(yàn)極限約是傳統(tǒng)WGM傳感方法的350倍。”
楊稱(chēng)，多模WGM傳感的商業(yè)應(yīng)用可能包括生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)和環(huán)境應(yīng)用。例如，在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，研究人員能夠以前所未有的靈敏度檢測(cè)分子相互作用的細(xì)微變化，從而提升疾病診斷和藥物發(fā)現(xiàn)。
在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，多模態(tài)傳感能夠檢測(cè)溫度和壓力等環(huán)境參數(shù)的微小變化，從而實(shí)現(xiàn)自然災(zāi)害的預(yù)警系統(tǒng)，或促進(jìn)空氣和水污染水平的監(jiān)測(cè)。
這項(xiàng)新技術(shù)還使得化學(xué)反應(yīng)的持續(xù)監(jiān)測(cè)成為可能，正如楊團(tuán)隊(duì)最近的實(shí)驗(yàn)所示。該能力有望實(shí)現(xiàn)化學(xué)過(guò)程的實(shí)時(shí)分析與控制，有望應(yīng)用于制藥、材料科學(xué)和食品行業(yè)等領(lǐng)域。
廖補(bǔ)充道：“WGM諧振腔的超高靈敏度使我們能夠探測(cè)單粒子和離子，但這項(xiàng)強(qiáng)大技術(shù)的潛力尚未被充分利用，因?yàn)槲覀儫o(wú)法直接用這種超靈敏傳感器測(cè)量完全未知的物體�！�
“多模態(tài)感測(cè)使得窺見(jiàn)未知成為可能。通過(guò)擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍以觀察數(shù)百萬(wàn)粒子，我們可以承擔(dān)更具雄心的項(xiàng)目，解決現(xiàn)實(shí)世界的問(wèn)題。”
更多信息：Jie Liao 等，《通過(guò)光學(xué)耳語(yǔ)畫(huà)廊模式條碼進(jìn)行多模傳感：高分辨率測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展的新途徑》，IEEE 儀器與測(cè)量匯刊（2024年）。DOI：10.1109/TIM.2024.3352712期刊信息：IEEE 儀器與測(cè)量匯刊
由圣路易斯華盛頓大學(xué)提供
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