美研發環形激光傳感器 納米粒子“粒粒在目”

Peter

纳米粒子“粒粒在目”



当科学研究深入到纳米领域，由于目标太小难以精確计量，会让实验变得难以控制。日前，美国华盛顿大学科学家开发出一種比针尖还要小的环形激光传感器，能精確探测单个病毒、形成云的微尘颗粒以及空氣中的污染物。改变传感器中的“增益介质”，还能用于探测水中甚至血液中的微粒。该研究发表在6月26日的《自然·纳米技术》網站上。



回音廊式激光传感器



这種微型激光传感器属于一種回音廊式共振传感器，由硅玻璃制造。工作原理就像英国圣保罗大教堂里著名的回音廊，一边的人对着廊壁说话，另一边的人就能聽到。但與回音廊不同的是，这種传感器共振的不是声波而是光波。



激光器由底座支起一个“频率衰减模”（环路中激光发射的模式或形状），两束激光以相同频率、相反方向围绕环形光路传播。模场中有一个“短暂尾迹”透过环表面，探测着周边环绕的介质。当一个微粒落在激光环上，就会使一个光模中的能量分散到另一个光模中，从而使两个光模的共振频率略有不同，使光模发生分裂，一束激光就分裂为频率不同的两束，将它们导入光电探测器，会由于频率的不同而产生一種“打击频率”，从而分别测得两束激光的频率。



“由于微型传感激光器是用溶胶的方法在硅晶片生产，增益介质很容易改变，所以能大量生产。”论文第一作者、华盛顿大学圣路易斯分校电学與系统工程系研究生何丽娜（音译）说，“人们可以选择性地混合稀土離子，加入四乙氧基硅烷溶液、水或盐酸，加热它们直到变得黏稠，然后旋转覆盖在硅晶片上，退火后清除溶剂，就形成了完整的非结晶玻璃。再用蚀刻方法把薄薄的玻璃膜制成硅光盘，在下面用硅柱支撑。最后，通过激光退火处理，使粗糙的硅光盘变成光滑的环形共振腔。”



主动共振勝于被动



在早期的研究中，研究小组用普通的玻璃环作为波导，实验模分裂，并使入射光获得增益。但这種环路是被动的，外部激光必须用昂贵的可调激光，才能涵盖检测模分裂所要求的频率范围。



新型共振传感器本身就是一个微型激光器，而不仅仅是外部激光的共振腔。虽然也用玻璃制成，但掺杂了稀土原子作为“增益介质”。当外部光源达到激发态时，共振环就开始以自身更纯的频率发射激光。



“用于感测的光是共振器本身从内部产生，所以比被动式传感器更加纯净。如果光不纯，就无法看到微小的频率变化。但主动传感激光器只有一个频率，是真正的窄线宽，所以它更加敏感。”领导该研究的该校电学與系统工程副教授杨兰（音译）说，“新型激光环的敏感性比原来被动传感器要高出好幾个数量级，有效分辨率达到1纳米。环路传播的方式也让整个系统更加简单融洽。现在你只需一个光源来激发光介质，因此能用上一種廉價的激光二極管，而不是昂贵的可调激光。”



探测多種微粒



小微粒在日常生活中扮演重要角色，而人们通常忽视了它们。病毒微粒让我们生病，盐微粒形成了云，烟灰微粒进入我们的肺，让我们难以呼吸。为了探测各種小微粒，研究人员用不同大小和材质的纳米微粒测试了微激光器的性能，包括聚苯乙烯、病毒粒子和黄金微粒。



一颗微粒对于一束激光模的影响依赖于它的“極化性”，“極化性”是微粒大小和折射率的函数。当微粒一个个进入微激光的“模式圈”，探测器频率上就会出现独立的上下跳动，形成打击频率。每个独立跳动信号都表示有一个微粒撞到了环上，跳动的次数就反映了微粒的数量。



激光传感器是通过“共振场”把微粒捕获到共振器上，一旦微粒落到激光环上就很难落下来。当微粒太多时，激光线宽就会变得模糊，最终导致无法探测到新分裂的频率变化。“当线宽和分裂变化相当时，就不能再测了，如果需要你可以换一个来用。”杨兰说。以金粒子为例，同一个激光器模能探测到816个金纳米粒子。



微激光器能同时支持多个光模。用两个光模重叠检测能生成两个打击频率，能预防探测中的“疏忽”，確保每个微粒都能产生可探测的打击频率。



改变微激光器的增益介质，能感测不同介质中的微粒，研究小组正在研究利用增强微激光的敏感性来解决多種问题。如感测空氣中微粒的用铒元素（一種稀土元素）来掺杂，其光学属性與空氣正好符合。感测水中微粒的用镱元素来掺杂，水对镱发出的激光波长吸收率很低。最终还将用于检测血液中微粒的数量。



杨兰表示，这種传感激光器有望商业化，广泛用于从生物到航空科学各个领域。近期内可能用于监控环境中粒子的动态行为、单纯粒子浓度变化等。下一步将通过改进微激光器的光路和增益介质，用来探测DNA和单个生物分子。

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