多模光学传感技术拓展高精度测量边界

在麦凯尔维工程学院的实验室内，杨兰教授团队开发出一项创新的光学传感技术，通过多模共振显著增强了传感器的性能。这项技术的核心在于分析共振光谱中出现的多种模式，从而获取关于传感器周围环境的详细信息，大幅提升了测量的动态范围和精度。图示为杨实验室的研究成果。

圆形结构的声波反射特性，早在建筑领域被巧妙利用，例如伦敦圣保罗大教堂的耳语画廊和圣路易斯联合车站的耳语拱门，使人们能够远距离传递低语。同样的几何原理也适用于光学传感器，特别是在耳语廊模（WGM）谐振腔中。这类微腔已有数十年应用历史，广泛用于探测化学成分、DNA链，甚至单个分子。

与声学耳语廊类似，WGM微谐振器通过将光约束在一个微小的环形路径中，实现光的聚焦和增强。这种机制赋予了WGM腔体极高的灵敏度，使其能够对物理和生化参数进行高分辨率测量，成为生物医学检测与环境监测等领域的重要工具。

尽管WGM传感具有诸多优势，其应用仍受到动态范围狭窄、分辨率和精度受限的影响。

为突破这一限制，圣路易斯华盛顿大学麦凯尔维工程学院的普雷斯顿·M·格林电气与系统工程系杨兰教授、弗洛伦斯·G·斯金纳教授及博士后研究员廖杰在《IEEE 仪器与测量汇刊》上发表了一项研究成果，提出了一种基于多模传感的光学WGM条码技术。

这项创新方法可在单一WGM腔体内同时监测多个共振模式，通过分析不同模式的响应差异，显著扩展了传感器的测量范围。

在WGM传感过程中，特定波长的光可在微腔内循环数百万次。当目标分子与传感器接触时，光的共振频率会产生偏移。研究人员通过检测这些频率变化，可实现对分子的高灵敏度识别。

廖杰表示，传统方法只能捕捉单一的共振变化，而多模传感技术则能同时跟踪多个波长的变化，从而提升分辨率和测量范围，使系统能够探测到更多的粒子。

研究人员通过理论推导明确了WGM传感的极限，并将其应用于多模传感系统。实验表明，相比传统单模传感受限于约20皮米的范围，多模传感在相同硬件下可实现近乎无限的动态范围。

“共振模式越多，可获得的信息也越丰富。”廖杰说道。“在本研究中，我们实现的动态范围是传统方法的350倍。”

杨兰指出，这项多模WGM传感技术有望在多个行业实现商业化应用。在生物医学领域，该技术能够探测分子相互作用中的微小变化，为疾病诊断和药物开发提供更灵敏的工具。

对于环境监测，多模传感技术可精确捕捉温度、压力等微小变化，有助于构建灾害预警系统，或用于水质和空气质量的实时监控。

此外，该技术还支持对化学反应过程的持续监测，这一能力已在杨兰团队的实验中得到验证。这项进展为制药、材料科学以及食品工业中的实时过程分析提供了全新可能。

廖杰补充说，WGM谐振腔具备探测单粒子和离子的能力，然而，由于动态范围有限，该技术在面对未知样品时仍存在局限。

“多模传感打开了一扇通往未知世界的窗口。通过扩展动态范围，我们能够同时观测数百万个粒子，从而推动更具挑战性的科研与实际应用。”

更多信息请参见：Jie Liao 等，《通过光学耳语画廊模式条码进行多模传感：高分辨率测量动态范围扩展的新途径》，IEEE 仪器与测量汇刊（2024年）。DOI：10.1109/TIM.2024.3352712

本文由圣路易斯华盛顿大学提供。

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