光学条码技术拓展高分辨率传感器的性能边界
圣路易斯华盛顿大学麦凯尔维工程学院的杨兰教授团队开发了一种创新的光学传感方法，该技术通过多模共振显著提升了传感器的性能。这种被称为“光学WGM条码”的新型传感机制，能够通过分析共振光谱中的多种模式，提供对周围环境的高精度、高分辨率监测。该研究成果已发表于《IEEE 仪器与测量汇刊》。图片来源：杨实验室。
类似耳语廊的声学原理，光学耳语画廊模式（WGM）谐振腔可以将光波限制在微米级别的环形路径内，从而实现对分子级别的物理和生化参数的高灵敏度检测。这种结构已在生物医学、环境监测等多个领域广泛应用。
尽管WGM谐振腔具有高灵敏度，但其动态范围有限，限制了其在更广泛场景下的应用。为了突破这一限制，杨兰教授及其博士后研究员廖杰提出了一种多模传感架构，使WGM谐振腔能够在一次测量中同时捕捉多个共振模态。
在WGM传感系统中，特定波长的光可在微谐振腔内循环传播数百万次。当光场与目标分子发生相互作用时，其共振频率将发生偏移，研究人员据此识别分子的存在及性质。
“多模感测允许我们同时追踪多个共振波长的变化，而不仅仅局限于单一模式。”廖杰表示，“这不仅扩展了可探测波长的范围，也提升了测量的分辨率和精度，使传感器能够识别出更多粒子。”
研究团队通过理论建模明确了WGM传感的极限，并对多模系统下的性能进行了验证。实验结果显示，传统单模传感的动态范围通常被限制在约20皮米，而采用多模技术后，使用相同设备即可实现数百倍的测量扩展。
“模式越多，获得的信息量越大。”廖杰解释说，“理论上，多模传感的动态范围可以无限扩展，尽管在实际系统中仍会受到探测器等硬件的限制。在本研究中，我们实现了实验动态范围比传统方法高出约350倍。”
杨兰指出，这项技术在多个工业和科研领域具有广阔的应用前景。例如，在生物医学检测中，多模WGM传感能够以更高的灵敏度揭示分子间的微小相互作用，为疾病诊断和药物研发提供更强支持。
在环境监测方面，该技术可用于实时追踪温度、压力等参数的变化，为自然灾害预警和污染物浓度监测提供有力工具。此外，这项技术还可用于化学反应的持续监测，实现对化学过程的动态控制。
“WGM谐振腔本身具有超高的检测灵敏度，使我们能够探测单个粒子或离子。”廖杰补充道，“然而，我们过去难以在未知环境中进行直接测量。多模传感为这一问题提供了新解，让我们能够探索未知领域。”
杨兰团队的实验表明，该技术能够实现对数百万粒子的同时检测，为复杂系统的研究和工业控制开辟了新的可能。
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
本文由圣路易斯华盛顿大学提供。