适用于光学应用的更好的微环传感器

出色的基于表面的传感器。微环谐振器通过端镜与波导耦合，端镜部分反射光，从而提高了灵敏度。图片来源：Ramy El-Ganainy和Qi Zhong

调整微环传感器的设计可提高其灵敏度，而不会增加实施复杂性。

光学传感是光科学最重要的应用之一。它在天文学，环境科学，工业和医学诊断中起着至关重要的作用。

尽管用于光学传感的方案多种多样，但它们都具有相同的原理：要测量的量必须在系统的光学响应上留下“指纹”。指纹可以是其透射，反射或吸收。这些影响越强，系统的响应就越强。

尽管这在宏观层面上效果很好，但测量导致微弱响应的微小微观量却是一项艰巨的任务。研究人员已经开发出克服这一困难并提高其设备灵敏度的技术。这些技术中的某些依赖于复杂的量子光学概念和实现，确实被证明是有用的，例如在LIGO项目中感测重力波。其他基于将光捕获在称为光学谐振器的小盒子中的方法，则已经成功地检测了微粒和相对较大的生物成分。

尽管如此，检测小纳米颗粒并最终检测单个分子的能力仍然是一个挑战。当前的尝试集中在一种称为微环或微环谐振器的特殊类型的光捕获设备上，这些设备可以增强光与要检测的分子之间的相互作用。但是，这些设备的灵敏度受到其基本物理原理的限制。

密歇根理工大学，宾夕法尼亚州立大学和中佛罗里达大学的物理学家和工程师们在《物理评论快报》上发表的文章“利用异常表面进行传感以使灵敏度与鲁棒性相结合”中，提出了一种新型的传感器。它们基于特殊曲面的新概念：由特殊点组成的曲面。

异常敏感检测的异常点

为了理解特殊点的含义，请考虑一个只有两个弦的假想小提琴。通常，这种小提琴只能产生两种不同的音调，这相当于传统的光学谐振器。如果一根弦的振动可以某种方式改变另一根弦的振动，使得声音和弹性振动仅产生一种音调和一种集体的弦运动，则该系统具有特殊的意义。

表现出特殊点的物理系统非常脆弱。换句话说，任何小的干扰都会极大地改变其行为。该功能使系统对微小信号高度敏感。

物理学副教授Ramy El-Ganainy表示：“尽管有这样的承诺，但卓越的基于点的传感器同样具有增强的灵敏度，这也是他们的致命弱点：这些设备对不可避免的制造错误和不良的环境变化非常敏感。”灵敏度要求在先前的实验演示中有巧妙的调音技巧。

该论文的主要作者齐钟说：“我们目前的建议通过引入一种新系统来缓解大多数此类问题，该系统具有与先前工作中报道的相同的增强的灵敏度，同时又能抵抗大多数不可替代的实验不确定性。”一名研究生，目前正在密歇根理工学院攻读博士学位。

尽管微环传感器的设计仍在不断完善，但研究人员希望通过改进设备，看起来很小的光学观察会产生很大的影响。

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