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- 光學(xué)條碼擴展了高分辨率傳感器的范圍
- 來源：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)院實驗室開發(fā)的一項創(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)提供了傳感器周圍環(huán)境的詳細(xì)信息，在各種傳感應(yīng)用中提升了動態(tài)范圍和精度。圖片來源：楊實驗室
同樣的幾何特性讓參觀者能在倫敦圣保羅大教堂耳語畫廊的圓形圓頂周圍低聲傳達(dá)信息，或穿越圣路易斯聯(lián)合車站的耳語拱門，同時也使得高分辨率光學(xué)傳感器的構(gòu)建成為可能。耳語廊模（WGM）諧振腔已被用于檢測化學(xué)特征、DNA鏈甚至單分子，已有數(shù)十年歷史。
就像耳語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微小的圓形路徑中。這使得WGM諧振腔能夠檢測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 儀器與測量匯刊》上的一項研究中，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WGM諧振腔內(nèi)同時監(jiān)測多個共振模態(tài)，考慮每種模態(tài)的不同響應(yīng)，極大地擴展了可實現(xiàn)的測量范圍。
WGM傳感使用特定波長的光，可以在微諧振腔周邊循環(huán)數(shù)百萬次。當(dāng)傳感器遇到分子時，循環(huán)光的共振頻率會發(fā)生變化。研究人員隨后可以測量這種位移，以檢測和識別特定分子的存在。
廖解釋道：“多模感測讓我們能夠捕捉到波長上的多重共振變化，而不僅僅是一次�！绷谓忉尩馈！巴ㄟ^多種模式，我們可以將光學(xué)WGM傳感擴展到更廣泛的波長范圍，實現(xiàn)更高的分辨率和精度，最終探測到更多的粒子�！�
廖和楊找到了WGM檢測的理論極限，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限。
“共鳴越多，信息越多，”廖說。“我們推導(dǎo)出理論上無限的范圍，盡管實際上受限于感應(yīng)裝置。在這項研究中，我們發(fā)現(xiàn)的新方法實驗極限約是傳統(tǒng)WGM傳感方法的350倍�！�
楊稱，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)測領(lǐng)域，多模態(tài)傳感能夠檢測溫度和壓力等環(huán)境參數(shù)的微小變化，從而實現(xiàn)自然災(zāi)害的預(yù)警系統(tǒng)，或促進空氣和水污染水平的監(jiān)測。
這項新技術(shù)還使得化學(xué)反應(yīng)的持續(xù)監(jiān)測成為可能，正如楊團隊最近的實驗所示。該能力有望實現(xiàn)化學(xué)過程的實時分析與控制，有望應(yīng)用于制藥、材料科學(xué)和食品行業(yè)等領(lǐng)域。
廖補充道：“WGM諧振腔的超高靈敏度使我們能夠探測單粒子和離子，但這項強大技術(shù)的潛力尚未被充分利用，因為我們無法直接用這種超靈敏傳感器測量完全未知的物體�！�
“多模態(tài)感測使得窺見未知成為可能。通過擴大動態(tài)范圍以觀察數(shù)百萬粒子，我們可以承擔(dān)更具雄心的項目，解決現(xiàn)實世界的問題�！�
更多信息：Jie Liao 等，《通過光學(xué)耳語畫廊模式條碼進行多模傳感：高分辨率測量動態(tài)范圍擴展的新途徑》，IEEE 儀器與測量匯刊（2024年）。DOI：10.1109/TIM.2024.3352712期刊信息：IEEE 儀器與測量匯刊
由圣路易斯華盛頓大學(xué)提供
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