Samma geometriska egenhet som låter besökare mumla meddelanden runt den cirkulära kupolen på viskningsgalleriet vid St. Paul's Cathedral i London eller över St. Louis Union Stations viskande båge möjliggör också konstruktionen av högupplösta optiska sensorer. Whispering-gallery-mode (WGM) resonatorer har använts i årtionden för att detektera kemiska signaturer, DNA-strängar och till och med enstaka molekyler.
På samma sätt som arkitekturen i ett viskande galleri böjer och fokuserar ljudvågor, begränsar och koncentrerar WGM-mikroresonatorer ljus i en liten cirkulär bana. Detta gör det möjligt för WGM-resonatorer att detektera och kvantifiera fysiska och biokemiska egenskaper, vilket gör dem idealiska för högupplösta avkänningstillämpningar inom områden som biomedicinsk diagnostik och miljöövervakning.
Den breda användningen av WGM-resonatorer har dock begränsats av deras smala dynamiska omfång samt deras begränsade upplösning och noggrannhet.
I en nyligen publicerad studie publicerad i tidskriften IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement , Lan Yang, Edwin H. &Florence G. Skinner-professorn och Jie Liao, en postdoktorand forskningsassistent, båda vid Preston M. Green Department of Electrical &Systems Engineering vid McKelvey School of Engineering vid Washington University i St. Louis , demonstrera ett transformativt tillvägagångssätt för att övervinna dessa begränsningar:optiska WGM-streckkoder för multimodsavkänning.
Liao och Yangs innovativa teknik tillåter samtidig övervakning av flera resonanslägen inom en enda WGM-resonator, med hänsyn till distinkta svar från varje läge, vilket avsevärt utökar mätområdet som kan uppnås.
WGM-avkänning använder en specifik våglängd av ljus som kan cirkulera runt omkretsen av mikroresonatorn miljontals gånger. När sensorn möter en molekyl ändras resonansfrekvensen för det cirkulerande ljuset. Forskare kan sedan mäta denna förändring för att upptäcka och identifiera förekomsten av specifika molekyler.
"Multimode avkänning tillåter oss att plocka upp flera resonansförändringar i våglängd, snarare än bara en," förklarade Liao. "Med flera lägen kan vi utöka optisk WGM-avkänning till ett större intervall av våglängder, uppnå större upplösning och noggrannhet och i slutändan känna av fler partiklar."
Liao och Yang hittade den teoretiska gränsen för WGM-detektion och använde den för att uppskatta avkänningsförmågan hos ett multimodsystem. De jämförde konventionellt enkelläge med multimodsavkänning och fastställde att även om enkellägesavkänning är begränsat till ett mycket smalt intervall - cirka 20 picometers (pm), begränsat av laserhårdvaran - är räckvidden för multilägesavkänning potentiellt obegränsad med samma inställning.
"Mer resonans betyder mer information," sa Liao. "Vi härledde ett teoretiskt oändligt intervall, även om vi praktiskt taget är begränsade av avkänningsapparaten. I den här studien var den experimentella gränsen vi hittade cirka 350 gånger större med den nya metoden än den konventionella metoden för WGM-avkänning."
Kommersiella tillämpningar av multimode WGM-avkänning kan innefatta biomedicinska, kemiska och miljömässiga användningar, sade Yang. I biomedicinska tillämpningar, till exempel, kunde forskare upptäcka subtila förändringar i molekylära interaktioner med oöverträffad känslighet för att förbättra sjukdomsdiagnostik och läkemedelsupptäckt.
Inom miljöövervakning, med förmågan att upptäcka små förändringar i miljöparametrar som temperatur och tryck, kan multimodsavkänning möjliggöra tidig varningssystem för naturkatastrofer eller underlätta övervakning av föroreningsnivåer i luft och vatten.
Denna nya teknik möjliggör också kontinuerlig övervakning av kemiska reaktioner, vilket demonstrerades i de senaste experimenten utförda av Yangs grupp. Denna förmåga lovar för realtidsanalys och kontroll av kemiska processer, och erbjuder potentiella tillämpningar inom områden som läkemedel, materialvetenskap och livsmedelsindustrin.
"WGM-resonatorers ultrahöga känslighet låter oss upptäcka enstaka partiklar och joner, men potentialen hos denna kraftfulla teknik har inte utnyttjats fullt ut eftersom vi inte kan använda denna ultrakänsliga sensor direkt för att mäta en helt okänd," tillade Liao.
"Multimodavkänning möjliggör att titta in i det okända. Genom att utöka vårt dynamiska omfång för att titta på miljontals partiklar kan vi ta oss an mer ambitiösa projekt och lösa verkliga problem."
Mer information: Jie Liao et al, Multimode Sensing by Optical Whispering-gallery-mode streckkoder:A New Route to Expand Dynamic Range for High-Resolution Measurement, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement (2024). DOI:10.1109/TIM.2024.3352712
Journalinformation: IEEE-transaktioner på instrumentering och mätning
Tillhandahålls av Washington University i St. Louis
