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  • 用于光學應用的微環傳感器

    作者:實驗幫(譯) 來源:phys.org 時間:2019-05-13 11:28 閱讀:858 [投稿]
    用特殊表面感知以將靈敏度與魯棒性結合起來,提出了一種新型傳感器。它們基于異常曲面的新概念:由異常點組成的曲面。

    微環諧振器與帶有部分反射光的端鏡的波導耦合,從而提高了靈敏度。調整微環傳感器的設計可以在不增加實現復雜性的情況下提高其靈敏度。光學傳感是光科學最重要的應用之一。它在天文學、環境科學、工業和醫學診斷中起著至關重要的作用。

    盡管用于光學傳感的方案多種多樣,但它們都有相同的原理:要測量的數量必須在系統的光學響應上留下“光譜”。指紋可以是它的透射、反射或吸收。這些效應越強,系統的響應就越強。

    雖然這在宏觀層面上很有效,但是測量引起弱響應的微小的微觀量是一項具有挑戰性的任務。研究人員已經開發出技術來克服這一困難,提高設備的靈敏度。其中一些技術依賴于復雜的量子光學概念和實現,事實證明是有用的,例如在激光干涉引力波天文臺項目(LIGO)中感應引力波。另一些基于將光捕獲在稱為光學諧振器的小盒子中的技術,已經成功地探測到了微粒子和相對較大的生物成分。

    然而,檢測小納米顆粒和最終單個分子的能力仍然是一個挑戰。目前的嘗試集中在一種特殊類型的光捕獲裝置上,這種裝置被稱為微環或微環面諧振器,它們增強了光與被檢測分子之間的相互作用。然而,這些裝置的靈敏度受到基礎物理的限制。

    密西根理工大學、賓夕法尼亞州立大學和中佛羅里達大學的物理學家和工程師在他們發表在《物理評論快報Physical Review Letters》上的文章“用特殊表面感知以將靈敏度與魯棒性結合起來”中提出了一種新型傳感器。它們基于異常曲面的新概念:由異常點組成的曲面。


    一種特殊的表面型傳感器

    異常點用于超敏感的檢測

    為了理解特殊點的含義,考慮一把只有兩條弦的假想小提琴。一般來說,這樣的小提琴只能產生兩種不同的音調——一種對應于傳統光學諧振器的情況。如果一根弦的振動能改變另一根弦的振動,使聲音和彈性振動只產生一個音調和一個集體弦運動,那么系統就有一個例外點。

    一個表現出特殊點的物理系統是非常脆弱的。換句話說,任何微小的擾動都會顯著地改變它的行為。該特性使系統對微小信號高度敏感。

    物理副教授Ramy El Ganainy說:“盡管有這一潛在特性,但特殊的點基傳感器同樣提高了靈敏度,這也是它們的致命弱點:這些設備對不可避免的制造誤差和不希望出現的環境變化非常敏感。”他還補充說,此外,在之前的實驗演示中,靈敏度需要巧妙的調優技巧。

    “我們目前的建議通過引入一個新的系統來緩解這些問題,該系統具有與之前工作中報告的相同的增強靈敏度,同時對大多數不可克服的實驗不確定性具有強大的抵抗力,”論文的主要作者、目前正在努力研究他的研究生Qi Zhong說,他目前正在攻讀密歇根理工大學博士學位。

    盡管微環傳感器的設計仍在不斷改進,但研究人員希望通過改進這些設備,看似微小的光學觀測將產生巨大的影響。

    原文來源:https://phys.org/news/2019-05-microring-sensors-optical-applications.html 

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