光学条码技术拓展高精度传感器能力边界
圣路易斯华盛顿大学麦凯尔维工程学院的杨兰教授团队近期在高分辨率光学传感领域取得关键突破。他们开发的新型光学传感系统利用多模共振原理，通过分析共振谱中的模式特征，实现了对传感器周围环境的高精度量化。这一创新技术为传感系统带来了更宽的动态响应范围和更高的测量精度。图片由杨实验室提供。
有趣的是，这项技术的几何原理与建筑学中的耳语廊现象异曲同工。例如，伦敦圣保罗大教堂的耳语画廊，以及圣路易斯联合车站的耳语拱门，都利用声波在特定曲面结构中的聚焦效应实现远距离低强度声波的传播。同样，耳语廊模式（WGM）谐振腔能够将光场约束并聚焦在微型环形路径中，从而实现对物理、生化信号的高灵敏度探测。这类系统广泛应用于生物医学诊断、环境监测等领域，已有数十年研究基础。
尽管WGM谐振腔在灵敏度方面表现出色，但其动态范围有限、分辨率和测量精度受限，制约了其更广泛的工程应用。
为突破这一瓶颈，杨兰教授团队与博士后研究员廖杰在近期发表于《IEEE 仪器与测量汇刊》的研究中提出了一种新型的多模传感架构——光学WGM条码技术。该技术能够在单一WGM谐振腔中同时采集多个共振模态的响应信息，从而显著拓展系统的测量能力。
在WGM传感器中，光信号可在微谐振腔中沿环形路径循环传播数百万次。当目标分子与传感器相互作用时，光的共振频率发生变化，研究人员可通过检测该频率偏移来识别分子种类和浓度。
廖杰指出：“多模传感方法使我们能够同时获取多个波长通道上的共振信号，而不是局限于单一模态。” 他进一步解释道，“通过引入多模态分析，我们可以将光学WGM传感扩展到更宽的波长范围，从而提升分辨率与测量精度，进而实现对更复杂系统的探测。”
该团队通过理论建模确定了WGM传感的极限，并将其应用于多模系统中，分析其传感性能。与传统单模方法相比，单模传感通常受限于约20皮米的窄动态范围，受制于激光源的输出特性。而多模传感则突破了这一限制，理论上可实现无限扩展。
“共振模式越多，获取的信息量越大。” 廖杰表示，“我们的研究表明，在实验条件下，多模传感的动态范围可达到传统方法的350倍。”
杨兰教授表示，多模WGM技术具有广泛的应用前景，特别是在生物医学、化学分析和环境监测领域。
在生物医学领域，研究人员能够以更高的灵敏度识别分子间的微小相互作用，有助于早期疾病诊断和药物开发。
在环境监测方面，该技术可用于精确追踪温度、压力等参数的细微变化，为自然灾害预警系统或污染监测网络提供支持。
此外，这项技术也适用于实时化学过程监控。杨兰团队的实验已验证其在连续监测化学反应中的潜力，有望在制药、材料合成及食品工业等领域实现工艺优化。
廖杰补充道：“WGM谐振腔本身具备探测单分子或离子的超高灵敏度，但由于传统方法难以应对未知目标的探测，这项技术的潜力尚未被完全释放。”
“而多模传感让我们能够观察到更广泛的粒子分布，甚至可以进入未知领域。” 廖杰继续说道，“这一扩展使得我们能够开展更具挑战性的研究，解决实际工程和科学问题。”
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
来源：圣路易斯华盛顿大学