基于微纳光学器件传感器的基本原理

温度，作为物理属性之一，在物理、化学、以及生物系统中扮演者极其重要的角色。因此，基于微纳光学的热传感技术在科学、工程、和工业等领域得到了极大的关注，如新材料、能量收集、生物医学研究、医疗保健和环境监测，其中，精确和连续地监测人体内的温度变化，理解人体内的热平衡现象，为COVID-19、创伤性脑损伤，以及癌症等疾病的初期诊断起到至关重要的作用。

基于微纳光学器件传感器的基本原理是：将被测对象置于微纳光结构中，从而将微纳结构中的光场与被测对象耦合起来。处于光场中的被测对象的变化会改变光场的光学性质（如光场的强度、波长、频率、相位、偏振态等），通过测量这些光学性质的改变就可以反推出被测对象的信息。由于微纳光学器件可以将高能量的光信号局域在微纳尺度上，因此这类器件对微弱信号具有极高的响应灵敏度。 为了提高微纳光学传感器的传感精度，需要引入有效的纳米光学场增强机制，提高光场与被测对象的耦合强度。 针对这一问题，一种可能的解决方法是引入光学微腔，延长光场中光子在微纳光结构中的寿命，通过光学微腔的共振增强效果提高光场与被测对象的耦合强度，从而提高传感器的传感精度。 由于光学微腔可以将高能量密度的光局域于很小的尺度上，且光子在这类结构中通常具有很长的寿命，因而可以很好地与放置在光场中的被测对象发生相互作用。 光学微腔用于微纳传感的传感灵敏精度通常由如下公式决定：

光腔传感器灵敏精度=光腔品质因子/光腔模式体积

光腔品质因子是描述光腔好坏程度的一个非常重要且基本的指标，其定义为当光进入光学微腔之后，被局域于光学微腔中的能量与泄露到光学微腔之外的能量的比例。

光腔的模式体积是光腔另一个重要且基本的指标，代表光学模式在空间中的局域程度，定义为光学模式在全空间积分比上光学模式在空间中强度的最大值，模式体积越小说明光在微纳结构中局域化程度越好。

从光腔传感器的灵敏精度公式可以看出：光腔品质因子越高，模式体积越小，光腔传感器的精度越高。在不同的光学微腔中，回音壁模式的微腔具有光学品质因子高，模式体积小的特点，因此特别适合做高灵敏微纳传感器。 回音壁模式的光学微腔是将玻璃或其他导光材料制备成圆形结构，当光沿切向方向进入此类环形微腔时，由于玻璃等导光材料与空气接触面的全反射效应，光会沿环形微腔的外壁反射传播。由于此类微腔光的传播路径类似于北京天坛公园著名建筑回音壁的声波沿回音壁围墙传播，因此被命名为回音壁模式微腔。 回音壁模式微腔中，光场不仅被限制在环状结构内，有部分光场会泄露到环状结构附近的区域内，称为倏逝场。当人们将被测对象贴近回音壁模式微腔，进入倏逝场作用范围内时，被测对象会影响回音壁模式中的光场分布，从而可用于微纳传感。 基于回音壁模式光学微腔的温度传感器其原理是：当传感器受外界温度变化的影响，导致回音壁模式微腔中的光谱的发生改变，因此，通过跟踪光谱的变化，可以实现温度传感。

然而，虽然回音壁模式的光学微腔具有良好的灵敏度和分辨率，但仍难以用于实际的温度探测，原因有两点：

基于回音壁模式光学微腔的常规传感方法仍依赖于跟踪单个模式的变化，激光源线宽限制了监测的动态范围。在测量过程中，必须及时对激光源波长范围进行微调，以继续追踪所选的模式变化。

基于回音壁模式光学微腔的光谱变化仅能反应温度的变化量，我们不能从光谱中直接得出实际温度，而只能得出相对的温度变化。

为了解决这两个问题，近日，来自美国圣路易斯华盛顿大学的杨兰教授和学生研发了一种基于微泡结构的回音壁条形码温度传感器， 并且提出了全新的频谱分析方法，即从回音壁模式频谱中多个模式的集体行为获取信息。 该成果以“Optical whispering-gallery mode barcodes for high-precision and wide-range temperature measurements”为题发表在Light: Science & Applications。 回音壁模式光学条形码技术的传感机制依赖于对回音壁模式光谱中集体模式的分析。回音壁模式谐振腔的透射光谱在不同的温度下具有不同的光谱特征(谐振波长、模式间隔、耦合深度、线宽等)，换句话说：“特定的温度对应于独特的光谱模式。”

回音壁模式光学条形码技术（原理图） 图源：Light: Science & Applications /图译：Alex 撰稿人 在进行实际温度测量之前，研究人员会记录多个温度下对应的光谱，并将其作为该温度下的标准条形码录入预校准数据库，以便后期校准。随后，测量某一温度下传感器的光谱，并生成相应的光学条形码。通过将该条形码与预校准数据库中的标准条形码进行比较，搜索具有最佳重叠的模式，进而确定实际温度。 这种对回音壁条形码进行比较的方式，打破了传统温度传感记录温度变化的模式，实现了直接对测量温度的读取。此外，文章中提出的回音壁光学条码温度传感器不依赖于跟踪特定模式的偏移，而是集体模式的变化。即使某一特定模式在温度测量中超出频谱范围，集体模式在不同温度下仍产生相应的光谱变化，进而对应于特定的光谱条码。

回音壁模式光学条形码温度传感器的安装（示意图） 图源：Light: Science & Applications /图译：Alex 撰稿人 为验证回音壁条形码温度传感器在实际工作中的性能，杨兰教授和科研组人员针对30℃、31℃和34℃下，传统回音壁温度传感器的单模跟踪和文章中多模条形码检测之间进行比较。 对于传统回音壁温度传感器的单模跟踪，被追踪的模式只能在很小的温度变化(30–31℃)内被识别和跟踪，当模式移出光谱范围时，无法进一步跟踪光谱偏移量来确定温度变化。而回音壁条形码技术的多模模式感测机制，不依赖于跟踪特定模式的偏移，而是特定温度下整体模式的分析，在保证回音壁高温敏性的基础上增大了温度检测的范围。同时，与温度信息一一对应的回音壁条形码，能够更加直观的反应外界温度的变化。

技术应用场景

回音壁光学条码传感技术的应用不限于温度传感，它也可以在生化传感、纳米粒子检测、磁性检测、光声中实现检测。回音壁光学条形码技术将高灵敏度、高分辨率和大动态范围测量集成到一个高性能传感平台中，无需额外的复杂设计和昂贵的组件。从物理热力学到化学热力学，从机器人传感到生物医学研究中的热现象，回音壁光学条码传感技术的应用前景十分广阔。

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