Optiske stregkoder udvider rækkevidden af ​​højopløsningssensorer

Det samme geometriske særpræg, der lader besøgende mumle beskeder rundt i den cirkulære kuppel i hviskegalleriet ved St. Paul's Cathedral i London eller på tværs af St. Louis Union Stations hviskende bue, muliggør også konstruktionen af ​​optiske sensorer i høj opløsning. Whispering-gallery-mode (WGM) resonatorer er blevet brugt i årtier til at detektere kemiske signaturer, DNA-strenge og endda enkelte molekyler.

På samme måde som arkitekturen i et hviskende galleri bøjer og fokuserer lydbølger, begrænser og koncentrerer WGM-mikroresonatorer lyset i en lille cirkulær bane. Dette gør det muligt for WGM-resonatorer at detektere og kvantificere fysiske og biokemiske karakteristika, hvilket gør dem ideelle til højopløsningssensorapplikationer inden for områder som biomedicinsk diagnostik og miljøovervågning.

Imidlertid er den brede brug af WGM-resonatorer blevet begrænset af deres smalle dynamiske område samt deres begrænsede opløsning og nøjagtighed.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement , Lan Yang, Edwin H. &Florence G. Skinner-professoren og Jie Liao, en postdoktoral forskningsassistent, begge i Preston M. Green Department of Electrical &Systems Engineering på McKelvey School of Engineering ved Washington University i St. Louis , demonstrere en transformativ tilgang til at overvinde disse begrænsninger:optiske WGM-stregkoder til multimode sensing.

Liao og Yangs innovative teknik tillader samtidig overvågning af flere resonanstilstande inden for en enkelt WGM-resonator, idet der tages højde for karakteristiske svar fra hver tilstand, hvilket i høj grad udvider rækkevidden af ​​opnåelige målinger.

WGM-sensing bruger en specifik bølgelængde af lys, der kan cirkulere rundt om mikroresonatorens omkreds millioner af gange. Når sensoren støder på et molekyle, skifter resonansfrekvensen af ​​det cirkulerende lys. Forskere kan derefter måle dette skift for at detektere og identificere tilstedeværelsen af ​​specifikke molekyler.

"Multimode sensing giver os mulighed for at opfange flere resonansændringer i bølgelængde, snarere end kun én," forklarede Liao. "Med flere tilstande kan vi udvide optisk WGM-føling til et større bølgelængdeområde, opnå større opløsning og nøjagtighed og i sidste ende registrere flere partikler."

Liao og Yang fandt den teoretiske grænse for WGM-detektion og brugte den til at estimere sansningsevnerne i et multimode-system. De sammenlignede konventionel single-mode med multi-mode sensing og fastslog, at mens single-mode sensing er begrænset til et meget snævert område - omkring 20 picometers (pm), begrænset af laserhardwaren - er rækkevidden for multimode sensing potentielt ubegrænset ved brug af den samme opsætning.

"Mere resonans betyder mere information," sagde Liao. "Vi udledte et teoretisk uendeligt område, selvom vi praktisk talt er begrænset af sanseapparatet. I denne undersøgelse var den eksperimentelle grænse, vi fandt, omkring 350 gange større med den nye metode end den konventionelle metode til WGM sensing."

Kommercielle anvendelser af multimode WGM-sensing kunne omfatte biomedicinske, kemiske og miljømæssige anvendelser, sagde Yang. I biomedicinske applikationer, for eksempel, kunne forskere opdage subtile ændringer i molekylære interaktioner med hidtil uset følsomhed for at forbedre sygdomsdiagnostik og lægemiddelopdagelse.

Inden for miljøovervågning, med evnen til at detektere små ændringer i miljøparametre såsom temperatur og tryk, kan multimode sensing muliggøre tidlige varslingssystemer for naturkatastrofer eller lette overvågningen af ​​forureningsniveauer i luft og vand.

Denne nye teknologi muliggør også kontinuerlig overvågning af kemiske reaktioner, som demonstreret i de seneste eksperimenter udført af Yangs gruppe. Denne egenskab lover for realtidsanalyse og kontrol af kemiske processer, og tilbyder potentielle anvendelser inden for områder som farmaceutiske produkter, materialevidenskab og fødevareindustrien.

"WGM-resonatorers ultrahøje følsomhed lader os detektere enkelte partikler og ioner, men potentialet i denne kraftfulde teknologi er ikke blevet udnyttet fuldt ud, fordi vi ikke kan bruge denne ultrafølsomme sensor direkte til at måle en fuldstændig ukendt," tilføjede Liao.

"Multimode sensing gør det muligt at se ud i det ukendte. Ved at udvide vores dynamiske område til at se på millioner af partikler, kan vi påtage os mere ambitiøse projekter og løse problemer i den virkelige verden."

Flere oplysninger: Jie Liao et al., Multimode Sensing by Optical Whispering-gallery-mode stregkoder:A New Route to Expand Dynamic Range for High-Resolution Measurement, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement (2024). DOI:10.1109/TIM.2024.3352712

Journaloplysninger: IEEE-transaktioner på instrumentering og måling

Leveret af Washington University i St. Louis