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比针尖小的环形激光传感器

文章作者:仪器仪表 上传时间:2020-02-07

2018年3月20日,据美国光学学会报道,研究人员首次在光纤内部,以光学方式捕获并激发的一个基于粒子的厘米级激光器。新的高速传播微型激光器可以沿着光纤长度方向进行高灵敏度的温度测量,并且可以提供一种新颖的方式来将光线精确地传输到远处且难以达到的位置。

日前,美国华盛顿大学科学家开发出一种比针尖还要小的环形激光传感器,能精确探测单个病毒、形成云的微尘颗粒以及空气中的污染物。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》网站上。

“这种高速微型激光器在体内传输光的方面极具潜力。”德国马克思普朗克光学科学研究所Richard Zeltner说。“通过把光纤插入皮肤,微型激光器可以提供波长合适、定位准确的光作用于光敏药物。这个概念也可以应用于光流控芯片实验室器件,为各种生物分析技术或芯片上温度测量提供具有高空间分辨率的光源。”在《The Optical Society》(OSA)光学期刊上,由Philip St.J. Russell带领的研究人员报道称,高速微激光器可以以毫米级的空间分辨率进行位置敏感的温度传感测量。这个示例展示了高速微型激光器在分布式传感方面的实用性,以及沿着光纤方向实现实时、连续测量的方法。 高速传输微型激光器是基于一个回音壁模式的谐振器,这是一种限制并增强某些波长光的小颗粒。这个名字来源于这样一个现象,即光波沿着这些粒子弯曲的内表面传播,就像声波在保罗大教堂的回音壁中传播一样,让画廊的另一侧清晰地听到耳语声。 “这是首次使用回音壁模式谐振器的分布式感测演示,”Zeltner说,“这种独特的传感方法为分布式测量和高空间分辨率远程物理性能评估开辟了许多新的可能性。例如,它对恶劣环境下的温度传感很有用。” 制作高速传输的激光器 实现高速传输微型激光器的一个关键部分是一种特殊类型的光纤,称为空芯光子晶体光纤。顾名思义,不同于传统光纤的实心玻璃,这种光纤的芯区部分是空的。空芯部分被玻璃微结构包覆,该玻璃微结构可将光限制在光纤内部。 “在相当长的一段时间里,我们的研究小组一直在开发空心光子晶体光纤中光阱粒子的必要技术,” 研发小组成员Shangran Xie说。“在这项新工作中,我们能够应用这项技术不仅仅是为了捕获一个粒子,而且还要使它成为一个能够实现光纤中远距离探测的激光。” 一个回音壁模式微粒沿着空芯光纤传输,光纤嵌入的金属V型槽实现加热功能。最初,只有一束受限的激光束从光纤左端导入光纤。大约37秒后,第二束受限激光束从光纤右端导入,使得粒子停止传输并捕获在V形槽的中心。 为了实现高速传输的微型激光器,研究人员将激光射入充满水的中空纤芯中,以光学方式捕获微粒。与用于制造传统激光器的材料一样,微粒也包含增益介质。研究人员使用第二束激光激发这种增益介质,引起微粒发光或激射。粒子在光纤中的位置是通过捕获激光产生的光学力或通过芯区内部水流来控制。 精确的温度传感 为了测试新系统感知温度变化的能力,研究人员将激光微粒沿着加热到室温以上22摄氏度光纤的两个区域推进。通过测量当微激光穿过光纤时从微粒发出的激光波长的偏移,可以精确地检测温度的变化。传感器检测到的温度变化小于3摄氏度,并且提供了几毫米的空间分辨率。 “这种分布式传感器的空间分辨率最终受到粒子大小的限制。”Zeltner说。“这意味着,我们可以在很长的测量范围内实现小至几微米的空间分辨率,与其他类型的分布式温度传感器相比,这是我们系统的一个巨大优势。” 研究人员利用激光多普勒测速技术,确定在实验过程中,粒子以每秒250微米的速度移动。他们说使用充满空气而不是水的光纤可以提高推进速度到每秒厘米甚至米量级。 虽然实验中使用的微粒由于光漂白作用,导致在约一分钟后失去激发能力,但研究人员表示,具有不同增益材料的微粒可以解决这个问题。他们还在探索是否可以在光纤内部同时操纵多个微型激光器,并正在对粒子位置检测方案进行改进。 “随着空心光子晶体光纤的商业化进程加快,这个系统成为实用型传感器所需的所有技术已经具备,” Zeltner说。 这是研究人员第一次在光纤中捕获并推动一种基于粒子的激光。这种新型的飞行微型激光器可以在光纤长度范围内进行高度敏感的温度测量,并提供一种新颖的方法,精确地将光传送到遥远且无法到达的位置。究人员们还在探索是否可以同时在光纤内部操纵多个微激光器,并正在改进粒子位置检测方案。随着中空的光子晶体光纤越来越商业化,需要把这个系统变成一个实用的传感器的所有技术都已经具备了。

(纳米粒子“粒粒在目”)

回音廊式激光传感器

当科学研究深入到纳米领域,由于目标太小难以精确计量,会让实验变得难以控制。近日,由美国华盛顿大学科学家开发出的微型激光传感器是属于一种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,另一边的人就能听到。但与回音廊不同的是,这种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”,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种“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与系统工程系研究生何丽娜说,“人们可以选择性地混合稀土离子,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。”

主动共振胜于被动

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。但这种环路是被动的,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。

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