2024-04-28 17:06 来源：得道网
同样的几何特性，可以让游客在伦敦圣保罗大教堂的窃窃私语画廊的圆形圆顶周围或穿过圣路易斯联合车站的窃窃私语拱门低语信息，也可以用来建造高分辨率的光学传感器。几十年来，耳语走廊模式(WGM)谐振器一直被用于检测化学特征、DNA链甚至单个分子。
与低语画廊的结构弯曲和聚焦声波的方式相同，WGM微谐振器将光线限制并集中在一个微小的圆形路径上。这使得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的高分辨率传感应用的理想选择。
然而，WGM谐振器的广泛应用受到其狭窄的动态范围以及有限的分辨率和精度的限制。
在最近发表在《IEEE仪器与测量学报》上的一项研究中，圣路易斯华盛顿大学麦凯维工程学院普雷斯顿·m·格林电气与系统工程系的Edwin H. & Florence G. Skinner教授杨兰和博士后研究员廖杰展示了一种克服这些限制的革命性方法:用于多模传感的光学WGM条形码。
廖和杨的创新技术允许在单个WGM谐振器内同时监测多个谐振模式，考虑到每个模式的独特响应，极大地扩展了可实现的测量范围。
WGM传感使用一种特定波长的光，这种光可以绕微谐振器的周长循环数百万次。当传感器遇到分子时，循环光的共振频率会发生变化。然后，研究人员可以测量这种变化，以检测和识别特定分子的存在。
廖解释说:“多模传感使我们能够在波长上拾取多个共振变化，而不仅仅是一个。”“通过多种模式，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，并用它来估计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，并确定单模传感受限于非常窄的范围-受激光硬件的限制约为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。
“更多的共鸣意味着更多的信息，”廖说。“我们从理论上推导出了一个无限的范围，尽管我们实际上受到传感设备的限制。在这项研究中，我们发现新方法的实验极限比传统的WGM传感方法大350倍。”
Yang说，多模WGM传感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细微变化，从而改善疾病诊断和药物发现。
在环境监测方面，由于能够探测温度和压力等环境参数的微小变化，多模传感可以使自然灾害的早期预警系统成为可能，或便于监测空气和水的污染程度。
这项新技术还可以连续监测化学反应，正如杨的小组最近进行的实验所证明的那样。这种能力为化学过程的实时分析和控制提供了希望，在制药、材料科学和食品工业等领域提供了潜在的应用。
“WGM谐振器的超高灵敏度使我们能够检测到单个粒子和离子，但这项强大技术的潜力尚未得到充分利用，因为我们不能直接使用这种超灵敏的传感器来测量完全未知的东西，”廖补充道。
“多模传感可以让我们看到未知。通过扩大我们的动态范围，观察数以百万计的粒子，我们可以承担更雄心勃勃的项目，解决现实世界的问题。”
更多信息:廖杰等，光学低语-画廊模式条形码的多模传感:高分辨率测量扩展动态范围的新途径，IEEE仪器与测量学报(2024)。DOI: 10.1109 / TIM.2024.3352712
由圣路易斯华盛顿大学提供
引用本文:光学条形码扩展了高分辨率传感器的范围(2024,4月26日)，检索自2024年4月27日的https://phys.org/news/2024-04-optical-barcodes-range-high-resolution.html
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