光学条码技术推动高分辨率传感发展
在麦凯尔维工程学院的实验室中，由杨博士领导的团队开发出一种基于多模共振的先进光学传感技术。这项创新通过分析共振光谱中的多种模式，显著提升了传感器对环境变化的响应能力，为多种传感应用提供了更高的分辨率和测量精度。该技术被称为“光学WGM条码”，其图像资料来源于杨实验室。
在建筑领域，耳语廊（Whispering Gallery）早已成为一种利用声波传播的独特结构。类似原理也被应用在光学传感器中。WGM（耳语廊模）谐振腔利用光的共振特性，在微型结构中实现光的聚焦与循环，这种技术在过去数十年中被广泛用于检测化学成分、DNA链，甚至单分子。
这些微型谐振器通过束缚并集中光波，在极小的空间内实现高灵敏度的物理和生化参数检测。因此，WGM谐振腔在生物医学和环境监测领域具有广泛应用潜力，尤其是在需要极高分辨率和精确度的传感任务中。
然而，传统WGM谐振腔在测量范围、分辨率和精度方面存在明显局限。为了解决这一问题，圣路易斯华盛顿大学麦凯尔维工程学院的杨兰教授、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》上发表的研究中，提出了一种基于多模传感的创新光学WGM条码方法。
该方法能够在单一WGM谐振腔中同时监测多个共振模态，通过分析不同模态的响应特性，显著提升了整体测量能力。研究人员指出，这一策略拓展了传统单模传感的局限，使传感范围获得数量级的扩展。
在WGM传感系统中，光以特定波长在微型谐振腔内循环可达数百万次。当目标物质与光发生相互作用时，其共振频率发生变化，这一位移可被用于识别和量化目标分子。
廖杰表示：“通过多模传感，我们能够捕捉多个波长上的共振变化，而不仅仅是一次性测量。这种扩展不仅增加了测量范围，还提升了分辨率和精度，使系统能够检测更复杂的粒子结构。”
研究团队通过理论分析，确定了WGM检测的极限，并将其应用于多模传感系统的建模与评估。结果显示，虽然单模系统的测量范围受限于激光器的波长精度，通常在20皮米（pm）以内，而多模系统则可突破这一限制，实现更广范围的高精度测量。
“共振模式越多，所获取的信息也越丰富，”廖杰解释道。“理论上，多模系统的测量范围可以无限扩展，但实际受限于传感器硬件。在我们的实验中，动态范围达到了传统方法的350倍。”
杨兰指出，这一技术具有广阔的应用前景。在生物医学领域，研究人员可以利用其超高灵敏度检测分子间微小的相互作用，从而推动疾病早期诊断和新药开发。
在环境监测方面，该技术能够实现对温度、压力等微小环境参数的持续监测，有助于构建早期预警系统，提升对自然灾害和污染水平的响应速度。
此外，这项技术还可用于化学过程的实时监测。杨团队最近的实验表明，多模WGM传感可用于连续跟踪化学反应，为制药、材料科学及食品加工等行业提供新的过程控制手段。
廖杰补充道：“虽然WGM谐振腔具有单粒子和离子检测能力，但由于传统方法难以应对完全未知的系统，其潜力尚未被充分挖掘。”
“通过多模传感，我们能够更深入地探索未知领域。当系统可以检测数百万个粒子时，我们便有能力开展更具挑战性的研究，解决现实世界中的复杂问题。”
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。
资料来源：圣路易斯华盛顿大学。