光学条码扩展了高分辨率传感器的范围

同样的几何特性让参观者能在伦敦圣保罗大教堂耳语画廊的圆形圆顶周围低声传达信息，或穿越圣路易斯联合车站的耳语拱门，同时也使得高分辨率光学传感器的构建成为可能。耳语廊模（WGM）谐振腔已被用于检测化学特征、DNA链甚至单分子，已有数十年历史。

就像耳语廊的建筑能够弯曲和聚焦声波一样，WGM微共振器将光束缚并集中在一个微小的圆形路径中。这使得WGM谐振腔能够检测和定量物理及生化特性，非常适合生物医学诊断和环境监测等领域的高分辨率传感应用。

然而，WGM谐振腔的广泛应用受限于其狭窄的动态范围以及有限的分辨率和精度。

在最近发表在《IEEE 仪器与测量汇刊》上的一项研究中，圣路易斯华盛顿大学麦凯尔维工程学院普雷斯顿·M·格林电气与系统工程系的杨兰和弗洛伦斯·G·斯金纳教授和博士后研究员廖杰展示了一种变革性方法来克服这些局限： 用于多模传感的光学WGM条码。

廖和杨的创新技术允许在单个WGM谐振腔内同时监测多个共振模态，考虑每种模态的不同响应，极大地扩展了可实现的测量范围。

WGM传感使用特定波长的光，可以在微谐振腔周边循环数百万次。当传感器遇到分子时，循环光的共振频率会发生变化。研究人员随后可以测量这种位移，以检测和识别特定分子的存在。

廖解释道：“多模感测让我们能够捕捉到波长上的多重共振变化，而不仅仅是一次。”廖解释道。“通过多种模式，我们可以将光学WGM传感扩展到更广泛的波长范围，实现更高的分辨率和精度，最终探测到更多的粒子。”

廖和杨找到了WGM检测的理论极限，并用它估算了多模系统的传感能力。他们比较了传统单模和多模传感，发现虽然单模传感受限于非常窄的范围——约20皮米（pm），受激光硬件限制;但使用相同设备，多模传感的射程可能无限。

“共鸣越多，信息越多，”廖说。“我们推导出理论上无限的范围，尽管实际上受限于感应装置。在这项研究中，我们发现的新方法实验极限约是传统WGM传感方法的350倍。”

杨称，多模WGM传感的商业应用可能包括生物医学、化学和环境应用。例如，在生物医学应用中，研究人员能够以前所未有的灵敏度检测分子相互作用的细微变化，从而提升疾病诊断和药物发现。

在环境监测领域，多模态传感能够检测温度和压力等环境参数的微小变化，从而实现自然灾害的预警系统，或促进空气和水污染水平的监测。

这项新技术还使得化学反应的持续监测成为可能，正如杨团队最近的实验所示。该能力有望实现化学过程的实时分析与控制，有望应用于制药、材料科学和食品行业等领域。

廖补充道：“WGM谐振腔的超高灵敏度使我们能够探测单粒子和离子，但这项强大技术的潜力尚未被充分利用，因为我们无法直接用这种超灵敏传感器测量完全未知的物体。”

“多模态感测使得窥见未知成为可能。通过扩大动态范围以观察数百万粒子，我们可以承担更具雄心的项目，解决现实世界的问题。”

更多信息：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期刊信息：IEEE 仪器与测量汇刊 

由圣路易斯华盛顿大学提供 

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