新型微環感測器：開啟高靈敏度的光學感測技術！

背景

光學感測是光科學領域最重要的應用之一。它在天文學、環境科學、工業以及醫療診斷等領域都發揮著關鍵作用。

儘管光學感測所用的方案有很多種，但是它們都分享著同一原則：被測量的物理量必須在系統的光學響應上留下一個「指紋」。這個「指紋」可以是光線的傳輸、反射或者吸收。這些效應越強，系統的響應就越強。

雖然這種測量在宏觀水平表現得很好，但是測量誘發微弱響應的微觀物理量是一項極具挑戰性的任務。研究人員們開發了各種技術，以克服這個困難並提升他們設備的靈敏度。其中一些依賴於複雜的量子光學概念和工具的技術是有用的，例如 LIGO 項目中的引力波感知。其餘的一些技術，基於在稱為「光學諧振器」的微型盒子中囚禁光線，成功檢測出微型粒子和相對較大的生物成分。

（圖片來源：宋青海，哈爾濱工業大學）

儘管如此，實現檢測小型納米顆粒以及最終檢測單分子的能力，仍然頗具挑戰性。目前的嘗試集中在一種特殊的光陷阱裝置，它也稱為「微環諧振器「。這些裝置改善了光線與要檢測的分子之間的相互作用。然而，這些裝置的靈敏度受到基礎物理學的限制。

（圖片來源：S. Kelley/NIST）

創新

美國密歇根理工大學、賓夕法尼亞州立大學以及中佛羅里達大學的物理學家和工程師，在《物理評論快報（Physical Review Letters）》期刊上，發表了一篇題為《Sensing with Exceptional Surfaces in Order to Combine Sensitivity with Robustness》的論文。論文中，他們提出了一種新型感測器。他們的研究是基於特殊表面（由特殊點組成的表面）的新概念。

下圖所示：基於特殊表面的感測器。這種微環諧振器通過部分反光的端反射鏡與波導發生耦合，從而提升光線靈敏度。

（圖片來源： Ramy El-Ganainy 和 Qi Zhong）

技術

為了理解特殊點的含義，我們可以想像一個具有兩根弦的小提琴。大體上，這個小提琴可以產生兩種不同的音調，這種情況對應於傳統的光學諧振器。如果一根弦的振動能以一種方式（聲音和彈性振動僅產生一個音調以及一個共同的弦運動）改變另外一根弦的振動，那麼系統就具有特殊點。

具有特殊點的物理系統非常脆弱。換句話說，任何小擾動都會顯著地改變其行為。這個特徵使得系統對任何信號都高度敏感。

物理系副教授 Ramy El-Ganainy 表示：「儘管如此，基於特殊點的感測器的這種提升的靈敏度，同樣也是其致命弱點。這些設備對於無法避免的製造誤差以及不希望有的環境變化都非常敏感。」他接著說，靈敏度使得之前實驗演示的調諧技巧變得不可或缺。

價值

論文領導作者、目前正在密歇根理工大學攻讀博士學位的研究生 Qi Zhong 表示：「我們目前的提案減輕了由於引入新系統所帶來的大部分問題，新系統的靈敏度與之前工作所報告的提升的靈敏度一致，同時不會受到大多數不可避免的實驗不確定性的影響。」

儘管微環感測器被持續地重新定義，但研究人員希望的是，改善設備之後，微小的光學觀測將產生巨大的效應。

關鍵字

光學、感測器、物理

參考資料

【1】http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.153902

【2】https://www.mtu.edu/news/stories/2019/may/better-microring-sensors-for-optical-applications.html

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