環形雷射感測器

環形雷射感測器是一種回音廊式共振感測器，由矽玻璃製造。

基本介紹

• 中文名：環形雷射感測器
• 概述：探測水中甚至血液中的微粒
• 研究發表：《自然·納米技術》網站上
• 時間：6月26日

概述

當科學研究深入到納米領域，由於目標太小難以精確計量，會讓實驗變得難以控制。日前，美國華盛頓大學科學家開發出一種比針尖還要小的環形雷射感測器，能精確探測單個病毒、形成雲的微塵顆粒以及空氣中的污染物。改變感測器中的“增益介質”，還能用於探測水中甚至血液中的微粒。該研究發表在6月26日的《自然·納米技術》網站上。

回音廊式雷射感測器

工作原理就像英國聖保羅大教堂里著名的回音廊，一邊的人對著廊壁說話，另一邊的人就能聽到。但與回音廊不同的是，這種感測器共振的不是聲波而是光波。

原理

雷射器由底座支起一個“頻率衰減模”(環路中雷射發射的模式或形狀)，兩束雷射以相同頻率、相反方向圍繞環形光路傳播。模場中有一個“短暫尾跡”透過環表面，探測著周邊環繞的介質。當一個微粒落在雷射環上，就會使一個光模中的能量分散到另一個光模中，從而使兩個光模的共振頻率略有不同，使光模發生分裂，一束雷射就分裂為頻率不同的兩束，將它們導入光電探測器，會由於頻率的不同而產生一種“打擊頻率”，從而分別測得兩束雷射的頻率。

過程

“由於微型感測雷射器是用溶膠的方法在矽晶片生產，增益介質很容易改變，所以能大量生產。”論文第一作者、華盛頓大學聖路易斯分校電學與系統工程系研究生何麗娜(音譯)說，“人們可以選擇性地混合稀土離子，加入四乙氧基矽烷溶液、水或鹽酸，加熱它們直到變得黏稠，然後旋轉覆蓋在矽晶片上，退火後清除溶劑，就形成了完整的非結晶玻璃。再用蝕刻方法把薄薄的玻璃膜製成矽光碟，在下面用矽柱支撐。最後，通過雷射退火處理，使粗糙的矽光碟變成光滑的環形共振腔。”

主動共振勝於被動

在早期的研究中，研究小組用普通的玻璃環作為波導，實驗模分裂，並使入射光獲得增益。但這種環路是被動的，外部雷射必須用昂貴的可調雷射，才能涵蓋檢測模分裂所要求的頻率範圍。

材質

新型共振感測器本身就是一個微型雷射器，而不僅僅是外部雷射的共振腔。雖然也用玻璃製成，但摻雜了稀土原子作為“增益介質”。當外部光源達到激發態時，共振環就開始以自身更純的頻率發射雷射。

性能

“用於感測的光是共振器本身從內部產生，所以比被動式感測器更加純淨。如果光不純，就無法看到微小的頻率變化。但主動感測雷射器只有一個頻率，是真正的窄線寬，所以它更加敏感。”領導該研究的該校電學與系統工程副教授楊蘭(音譯)說，“新型雷射環的敏感性比原來被動感測器要高出好幾個數量級，有效解析度達到1納米。環路傳播的方式也讓整個系統更加簡單融洽。現在你只需一個光源來激發光介質，因此能用上一種廉價的雷射二極體，而不是昂貴的可調雷射。”

探測多種微粒

小微粒在日常生活中扮演重要角色，而人們通常忽視了它們。病毒微粒讓我們生病，鹽微粒形成了雲，菸灰微粒進入我們的肺，讓我們難以呼吸。為了探測各種小微粒，研究人員用不同大小和材質的納米微粒測試了微雷射器的性能，包括聚苯乙烯、病毒粒子和黃金微粒。

特性

一顆微粒對於一束雷射模的影響依賴於它的“極化性”，“極化性”是微粒大小和折射率的函式。當微粒一個個進入微雷射的“模式圈”，探測器頻率上就會出現獨立的上下跳動，形成打擊頻率。每個獨立跳動信號都表示有一個微粒撞到了環上，跳動的次數就反映了微粒的數量。

原理

雷射感測器是通過“共振場”把微粒捕獲到共振器上，一旦微粒落到雷射環上就很難落下來。當微粒太多時，雷射線寬就會變得模糊，最終導致無法探測到新分裂的頻率變化。“當線寬和分裂變化相當時，就不能再測了，如果需要你可以換一個來用。”楊蘭說。以金粒子為例，同一個雷射器模能探測到816個金納米粒子。

微雷射器能同時支持多個光模。用兩個光模重疊檢測能生成兩個打擊頻率，能預防探測中的“疏忽”，確保每個微粒都能產生可探測的打擊頻率。

介質

改變微雷射器的增益介質，能感測不同介質中的微粒，研究小組正在研究利用增強微雷射的敏感性來解決多種問題。如感測空氣中微粒的用鉺元素(一種稀土元素)來摻雜，其光學屬性與空氣正好符合。感測水中微粒的用鐿元素來摻雜，水對鐿發出的雷射波長吸收率很低。最終還將用於檢測血液中微粒的數量。

展望

楊蘭表示，這種感測雷射器有望商業化，廣泛用於從生物到航空科學各個領域。近期內可能用於監控環境中粒子的動態行為、單純粒子濃度變化等。下一步將通過改進微雷射器的光路和增益介質，用來探測DNA和單個生物分子。