同样的几何怪癖可以让游客在伦敦圣保罗大教堂回音廊的圆形穹顶或圣路易斯联合车站的回音拱门周围低声传达信息，这也使得高分辨率光学传感器的构建成为可能。 回音壁模式 (WGM) 谐振器几十年来一直用于检测化学特征、DNA 链甚至单个分子。
就像回音壁的结构弯曲和聚焦声波一样，WGM 微谐振器将光线限制并中心化在一个微小的圆形路径中。 这使得 WGM 谐振器能够检测和量化物理和生化特性，使其成为生物医学诊断和环境监测等领域高分辨率传感应用的理想选择。 然而，WGM 谐振器的广泛使用因其狭窄的动态范围以及有限的分辨率和精度而受到限制。
在最近的一项研究中，华盛顿大学麦凯尔维工程学院普雷斯顿·M·格林电气与系统工程系的 Edwin H. & Florence G. Skinner 教授 Lan Yang 和博士后研究员 Jie Liao在圣路易斯，展示了一种克服这些限制的变革性方法：用于多模式传感的光学 WGM 条形码。 Liao 和 Yang 的创新技术允许同时监测单个 WGM 谐振器内的多个谐振模式，考虑到每种模式的独特响应，极大地扩展了可实现的测量范围。
WGM 传感使用特定波长的光，可以在微谐振器的周边循环数百万次。 当传感器遇到分子时，循环光的共振频率会发生变化。 然后研究人员可以测量这种转变，以检测和识别特定分子的存在。
“多模传感使我们能够检测波长的多个共振变化，而不仅仅是一个，”廖解释道。 “通过多种模式，我们可以将光学 WGM 传感扩展到更大的波长范围，实现更高的分辨率和精度，并最终传感更多的颗粒。”
Liao 和 Yang 发现了 WGM 检测的理论极限，并用它来估计多模系统的传感能力。 他们将传统的单模传感与多模传感进行了比较，并确定虽然单模传感仅限于非常窄的范围（约 20 皮米 (pm)），并受到激光硬件的限制，但使用相同的多模传感技术，多模传感的范围可能是无限的。设置。
“更多的共鸣意味着更多的信息，”廖说。 “虽然我们实际上受到传感设备的限制，但理论上我们得出了无限的范围。在这项研究中，我们发现新方法的实验极限比 WGM 传感的传统方法大约 350 倍。”
Yang 表示，多模式 WGM 传感的商业应用可能包括生物医学、化学和环境用途。 例如，在生物医学应用中，研究人员可以以前所未有的灵敏度检测分子相互作用的细微变化，以改善疾病诊断和药物发现。 在环境监测中，多模式传感能够检测温度和压力等环境参数的微小变化，可以实现自然灾害的预警系统或促进监测空气和水的污染水平。
正如杨团队最近进行的实验所证明的那样，这项新技术还可以连续监测化学反应。 这种能力有望实现化学过程的实时分析和控制，在制药、材料科学和食品工业等领域提供潜在的应用。
“WGM 谐振器的超高灵敏度使我们能够检测单个粒子和离子，但这项强大技术的潜力尚未得到充分利用，因为我们无法直接使用这种超灵敏传感器来测量完全未知的物体，”Liao 补充道。 “多模式传感使我们能够探索未知世界。通过扩大我们的动态范围来观察数百万个粒子，我们可以承担更雄心勃勃的项目并解决现实世界的问题。”
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