光学条码技术助力提升高分辨率传感器性能
在麦凯尔维工程学院的实验室中，杨博士团队开发出一项创新的光学传感技术，该技术基于多模共振原理，显著提升了传感系统的性能表现。通过分析共振光谱中出现的不同模式，这项被称为“光学条码”的技术能够揭示传感器周围环境的详细信息，从而在多种传感应用场景中实现更宽的动态范围与更高的测量精度。图片来源：杨实验室
利用几何特性来操控能量传播的现象并非新奇——从伦敦圣保罗大教堂的耳语走廊到圣路易斯联合车站的耳语拱门，建筑结构能有效引导声波传播。类似地，耳语廊模式（WGM）谐振腔在光领域中也展现出独特优势，其结构能够将光波约束在微小的圆形路径中。这种结构已广泛应用于化学成分识别、DNA链检测，甚至是单分子层面的分析，已有数十年历史。
正如耳语廊可引导声波传播，WGM微谐振器通过微结构将光波限制并聚焦，从而实现对物理和生化信号的高灵敏度探测。这一特性使其在生物医学检测和环境监测等领域具有重要应用价值。
尽管WGM谐振腔具有高分辨率，但其在动态范围和测量精度方面仍存在一定限制，制约了其更广泛的应用。
在最新发表于《IEEE 仪器与测量汇刊》的研究中，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教授、弗洛伦斯·G·斯金纳教授以及博士后研究员廖杰提出了一种突破性方法：基于WGM的多模光学传感条码技术。
该技术可在单个WGM谐振腔中同步监测多个共振模式，并通过分析每种模式的响应差异，显著提升测量的动态范围和精度。
在WGM传感中，特定波长的光在微谐振器中可循环数百甚至数百万次。当有分子靠近时，光波的共振频率会随之变化，研究者通过测量这种频移，即可识别出目标分子的存在。
廖杰表示：“多模传感使我们能够同时捕捉多个波长上的共振变化，而不仅仅是一个单一模式。”这种方法不仅扩大了可探测的波长范围，也提高了系统在分辨率与探测灵敏度方面的表现。
研究团队通过理论建模推导了WGM传感的理论极限，并据此评估了多模系统的传感潜力。他们将传统单模与多模传感进行了对比，结果显示，单模传感受限于硬件条件，通常测量范围约为20皮米（pm），而采用相同设备的多模传感则具有理论上无限的扩展空间。
“共振模式越多，获取的信息就越丰富。”廖杰指出，“在本次研究中，我们实现了比传统WGM传感方法高约350倍的实验极限。”
杨兰教授认为，这项技术在多个行业领域具有广阔的应用前景。在生物医学领域，该技术可被用于检测分子间的微小相互作用，从而增强疾病诊断和药物研发的灵敏度。
在环境监测方面，多模WGM传感能够捕捉温度、压力等参数的细微变化，有助于构建自然灾害预警系统，或对空气和水质污染进行更精确的监控。
此外，该技术还具备实时监测化学反应的能力。杨兰团队在实验中已验证了这一点，这为化学过程的在线分析与控制提供了新的可能，有望在制药、材料科学以及食品工业等领域发挥重要作用。
廖杰进一步解释说：“WGM谐振器具有极高的灵敏度，可以检测到单个粒子或离子。然而，这项技术的潜力尚未被完全挖掘，因为我们无法用它直接测量未知的物质。”
“多模传感为我们打开了通往未知领域的大门。通过拓宽动态范围，我们能够同时分析数百万个粒子，为解决复杂现实问题提供了更多可能性。”
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
由华盛顿大学圣路易斯分校提供。