Ultrafølsomt optisk sensorinstrument har bred medicinsk, videnskabelig anvendelse

I forskning, der bredt kunne gavne videnskab, medicin og teknik, er en ny slags ultrafølsomt optisk sensinginstrument blevet udviklet af en doktorand ved University of Alabama i Huntsville (UAH).

Kaldet et Mach Zehnder-Fabry Perot (MZ-FP) hybridfiberinterferometer, kombinerer det fordelene ved de to typer interferometre, der er tilgængelige i øjeblikket, hvilket gør det både kompakt og meget følsomt.

Præcisionsmåleapparater, interferometre virker ved at skabe et målbart interferensmønster mellem to lysstrømme, der kan opfattes som kollisionen af ​​to sæt bølger i en dam, der blev skabt ved at kaste to sten i, siger Dr. Nabil Md Rakinul Hoque.

Dr. Hoque, der oprindeligt kommer fra Dhaka, Bangladesh, er en UAH-ph.d.-graduat i maj 2022 i optisk videnskab og teknik, som udviklede det nye interferometer under en National Science Foundation-bevilling, mens han blev rådgivet af Dr. Lingze Duan, en professor i fysik ved UAH, en del fra University of Alabama System.

I test opnåede MZ-FP-interferometeret rekordstore belastningsopløsninger over en bred vifte af frekvenser, siger Dr. Duan.

"Den vigtigste effekt af dette arbejde er efter min mening, at det udstikker en mulig vej mod at nå hidtil usete niveauer af belastningsopløsninger for passive fibersensorer," siger Dr. Duan. "Et sådant niveau af sensoropløsning vil gøre det muligt for fiberoptiske sensorer at opfange meget svagere signaler, end de kan lige nu og i høj grad udvide anvendelsen af ​​fiberoptiske sensorer."

Detektering af ekstremt svage signaler, som tidligere ikke kunne detekteres af eksisterende teknologier, gør instrumentet værdifuldt til en bred vifte af applikationer, siger Dr. Hoque, hovedforfatteren til en nylig artikel offentliggjort i Scientific Reports .

"Dette åbner op for sådanne muligheder som tidlig forudsigelse af jordskælv, overvågning af masseødelæggelsesvåben, gletsjerbevægelsesdetektion til forskning i klimaændringer, akustisk medicinsk diagnose og så videre," siger han.

Det UAH-udviklede interferometer opnår én femto-stamme af opløsning, hvilket betyder, at det kan registrere ændringen på en milliardtedel af en mikrometer (10 ^-6 m) ud af en meter.

"Hovedtrækket ved det nye interferometer er dets hidtil usete høje signalopløsning," siger Dr. Hoque. Optiske sensorer baseret på den nye teknologi kan finde anvendelse i medicin, siger han. "For eksempel kan akustiske sensorer baseret på vores hybridinterferometer muligvis opfange meget svage fysiologiske akustiske signaler, der afslører menneskers helbredsforhold. Sådanne signaler kan være for svage til at blive detekteret med de aktuelle sensorer."

Generelt har to slags interferometre været tilgængelige, siger Dr. Hoque.

"Den første er det hulrum/resonator-baserede interferometer, hvor specifikke resonansfrekvenser får lov til at passere eller reflektere fra interferometeret," siger han.

På trods af sin kompakte størrelse kan denne type interferometer producere en meget lang effektiv optisk vejlængde på grund af den høje reflektionsevne af de anvendte spejle. Fabry-Perot resonatorer er eksempler på denne type interferometer.

"Den anden type interferometer er baseret på en fællesvejs- og/eller dobbeltvejskonfiguration," siger Dr. Hoque. "Følsomheden af ​​denne type interferometer afhænger af dens armlængder. Jo større armlængder, jo mere følsomme er interferometre."

Armlængderne skal ofte overstige ti eller endda hundreder af meter, hvilket gør denne type ret omfangsrig. Mach-Zehnder (MZI) og Michelson interferometre er eksempler på traditionelle dobbeltvejs interferometre.

"I dette papir rapporterede vi udviklingen af ​​en ny slags interferometer, der indlejrer optiske resonator-baserede interferometre, eller Fabry-Perot-typen, i et dobbeltvejs-interferometer, Mach-Zehnder-typen," siger Dr. Hoque.

"Det nye hybride interferometer er i stand til at opnå langt bedre signalopløsninger end de almindelige MZI'er. Dette gør det muligt for vores interferometer at have fordelene ved begge typer interferometre."

Gennem mere end fem års arbejde byggede Dr. Hoque på egen hånd en ultrahøj opløsning fibersensorfacilitet i verdensklasse i UAH, siger Dr. Duan.

"Fibersensoren, han udviklede, har sat nye opløsningsrekorder over et bredt frekvensområde fra infralydområdet til ultralydsområdet og har med succes nået den såkaldte termiske støjgrænse, den grundlæggende grænse for alle fiberoptiske sensorer." + Udforsk yderligere

Nyt skema for logiske operationer, der kører ved 1 Tb/s