美研發環形激光傳感器 納米粒子“粒粒在目”

　    當科學研究深入到納米領域，由于目標太小難以精確計量，會讓實驗變得難以控制。日前，美國華盛頓大學科學家開發出一種比針尖還要小的環形激光傳感器，能精確探測單個病毒、形成云的微塵顆粒以及空氣中的污染物。改變傳感器中的“增益介質”，還能用于探測水中甚至血液中的微粒。該研究發表在6月26日的《自然·納米技術》網站上。
　　回音廊式激光傳感器這種微型激光傳感器屬于一種回音廊式共振傳感器，由硅玻璃制造。工作原理就像英國圣保羅大教堂里著名的回音廊，一邊的人對著廊壁說話，另一邊的人就能聽到。但與回音廊不同的是，這種傳感器共振的不是聲波而是光波。
　　激光器由底座支起一個“頻率衰減模”（環路中激光發射的模式或形狀），兩束激光以相同頻率、相反方向圍繞環形光路傳播。模場中有一個“短暫尾跡”透過環表面，探測著周邊環繞的介質。當一個微粒落在激光環上，就會使一個光模中的能量分散到另一個光模中，從而使兩個光模的共振頻率略有不同，使光模發生分裂，一束激光就分裂為頻率不同的兩束，將它們導入光電探測器，會由于頻率的不同而產生一種"打擊頻率"，從而分別測得兩束激光的頻率。
　　“由于微型傳感激光器是用溶膠的方法在硅晶片生產，增益介質很容易改變，所以能大量生產。”論文第一作者、華盛頓大學圣路易斯分校電學與系統工程系研究生何麗娜（音譯）說，“人們可以選擇性地混合稀土離子，加入四乙氧基硅烷溶液、水或鹽酸，加熱它們直到變得黏稠，然后旋轉覆蓋在硅晶片上，退火后清除溶劑，就形成了完整的非結晶玻璃。再用蝕刻方法把薄薄的玻璃膜制成硅光盤，在下面用硅柱支撐。最后，通過激光退火處理，使粗糙的硅光盤變成光滑的環形共振腔。”
　　主動共振勝于被動在早期的研究中，研究小組用普通的玻璃環作為波導，實驗模分裂，并使入射光獲得增益。但這種環路是被動的，外部激光必須用昂貴的可調激光，才能涵蓋檢測模分裂所要求的頻率范圍。
　　新型共振傳感器本身就是一個微型激光器，而不僅僅是外部激光的共振腔。雖然也用玻璃制成，但摻雜了稀土原子作為"增益介質"。當外部光源達到激發態時，共振環就開始以自身更純的頻率發射激光。
　　“用于感測的光是共振器本身從內部產生，所以比被動式傳感器更加純凈。如果光不純，就無法看到微小的頻率變化。但主動傳感激光器只有一個頻率，是真正的窄線寬，所以它更加敏感。”領導該研究的該校電學與系統工程副教授楊蘭（音譯）說，“新型激光環的敏感性比原來被動傳感器要高出好幾個數量級，有效分辨率達到1納米。環路傳播的方式也讓整個系統更加簡單融洽。現在你只需一個光源來激發光介質，因此能用上一種廉價的激光二極管，而不是昂貴的可調激光。”
　　探測多種微粒小微粒在日常生活中扮演重要角色，而人們通常忽視了它們。病毒微粒讓我們生病，鹽微粒形成了云，煙灰微粒進入我們的肺，讓我們難以呼吸。為了探測各種小微粒，研究人員用不同大小和材質的納米微粒測試了微激光器的性能，包括聚苯乙烯、病毒粒子和黃金微粒。
　　一顆微粒對于一束激光模的影響依賴于它的“極化性”，“極化性”是微粒大小和折射率的函數。當微粒一個個進入微激光的“模式圈”，探測器頻率上就會出現獨立的上下跳動，形成打擊頻率。每個獨立跳動信號都表示有一個微粒撞到了環上，跳動的次數就反映了微粒的數量。
　　激光傳感器是通過“共振場”把微粒捕獲到共振器上，一旦微粒落到激光環上就很難落下來。當微粒太多時，激光線寬就會變得模糊，最終導致無法探測到新分裂的頻率變化。“當線寬和分裂變化相當時，就不能再測了，如果需要你可以換一個來用。”楊蘭說。以金粒子為例，同一個激光器模能探測到816個金納米粒子。
　　微激光器能同時支持多個光模。用兩個光模重疊檢測能生成兩個打擊頻率，能預防探測中的"疏忽"，確保每個微粒都能產生可探測的打擊頻率。
　　改變微激光器的增益介質，能感測不同介質中的微粒，研究小組正在研究利用增強微激光的敏感性來解決多種問題。如感測空氣中微粒的用鉺元素（一種稀土元素）來摻雜，其光學屬性與空氣正好符合。感測水中微粒的用鐿元素來摻雜，水對鐿發出的激光波長吸收率很低。最終還將用于檢測血液中微粒的數量。
　　這種傳感激光器有望商業化，廣泛用于從生物到航空科學各個領域。近期內可能用于監控環境中粒子的動態行為、單純粒子濃度變化等。下一步將通過改進微激光器的光路和增益介質，用來探測DNA和單個生物分子。