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当科学研究深入到纳米领域时，很难控制实验，因为目标太小而无法精确测量。最近，华盛顿大学的科学家们开发了一种比针尖还小的环形激光传感器，它可以精确地检测出空气体中的单个病毒、形成云的尘粒和污染物。改变传感器中的“增益介质”也可以用来检测水中甚至血液中的微粒。这项研究发表在6月26日的《自然纳米技术》网站上。

回波走廊激光传感器
这种微型激光传感器属于回波走廊谐振传感器，由硅玻璃制成。它就像英国圣保罗大教堂著名的回声画廊一样，一边的人对着画廊的墙壁说话，另一边的人可以听到。但与回声走廊不同，这种传感器产生的共振是光波，而不是声波。
激光器的基座支持“频率衰减模式”(环路中激光发射的模式或形状)，两个激光器以相同的频率和相反的方向围绕环形光路传播。模式场中有一个“短尾流”，它穿透环表面并探测周围介质。当一个粒子落在激光环上时，它会将一个光模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，并使光模分裂。激光束被分成具有不同频率的两个光束，这将由于不同的频率而导致“撞击频率”，从而分别测量两个激光束的频率。
“由于微传感器激光器是用溶胶法在硅片上制作的，增益介质容易更换，因此可以批量生产。”该论文的第一作者、圣路易斯华盛顿大学电气与系统工程系的研究生何丽娜说:“人们可以选择性地混合稀土离子，加入正硅酸乙酯溶液、水或盐酸，加热至粘稠，然后旋转并覆盖在硅片上，退火后除去溶剂，形成完整的无定形玻璃。”然后，通过蚀刻将薄玻璃膜制成硅光盘，底部由硅柱支撑。最后，通过激光退火处理，粗糙的硅盘变成光滑的环形谐振腔。”
主动共振优于被动共振
在早期的研究中，研究小组使用普通的玻璃环作为波导，并通过实验模式分裂，使得入射光增益。然而，该环路是无源的，外部激光器必须使用昂贵的可调谐激光器来覆盖检测模式分裂所需的频率范围。
新的谐振传感器本身是一个微型激光器，而不仅仅是外部激光器的谐振腔。虽然它也是由玻璃制成，但它掺杂了稀土原子作为“增益介质”。当外部光源达到激发状态时，共振环开始以它自己更纯的频率发射激光。
“用于感测的光是从谐振器本身的内部产生的，因此它比无源传感器更纯净。如果光线不纯，你就看不到轻微的频率变化。然而，主动传感激光器只有一个频率，这是一个真正的窄线宽，所以它更敏感。”领导这项研究的电气与系统工程副教授杨澜说:“这种新型激光环的灵敏度比原来的无源传感器高几个数量级，有效分辨率达到1纳米。环路传播的方式也使得整个系统更加简单和和谐。现在你只需要一个光源来激发光学介质，所以你可以用一个便宜的激光二极管代替昂贵的可调谐激光器。”
探测各种粒子[br/]小粒子在日常生活中起着重要的作用，但人们通常忽略它们。病毒颗粒使我们生病，盐颗粒形成云，烟尘颗粒进入我们的肺部，使我们呼吸困难。为了检测各种小颗粒，研究人员用不同尺寸和材料的纳米颗粒测试了微型激光器的性能，包括聚苯乙烯、病毒颗粒和金颗粒。
粒子对激光模式的影响取决于其“偏振”，偏振是粒子大小和折射率的函数。当粒子一个接一个地进入微型激光器的“模式圈”时，探测器频率会独立地上下跳动，形成一个撞击频率。每个独立的跳跃信号表示一个粒子击中了环，跳跃的次数反映了粒子的数量。
激光传感器通过“共振场”捕捉谐振器上的粒子。一旦粒子落在激光环上，就很难掉下来。当粒子过多时，激光线宽会变得模糊，最终导致无法检测到新的分裂频率变化。“当线宽相当于分裂变化时，就不能再测量了。如果你需要它，你可以改变它。”杨澜说道。以金粒子为例，用同样的激光模式可以探测到816个金纳米粒子。
微型激光器可以同时支持多种光学模式。通过两个光学模式的重叠检测可以产生两个撞击频率，这可以防止检测中的“疏忽”，并确保每个粒子可以产生可检测的撞击频率。
通过改变微型激光器的增益介质，可以检测不同介质中的粒子。研究小组正在研究如何通过提高微型激光器的灵敏度来解决各种问题。例如，空气体中的传感粒子掺杂有铒元素(一种稀土元素)，其光学特性与空气体完全一致。传感水中的粒子掺杂有镱，水对镱发出的激光波长的吸收率很低。最后，它将用于检测血液中的微粒数量。
杨澜表示，这种传感器激光器有望实现商业化，并广泛应用于从生物学到航空空科学的各个领域。在不久的将来，它可能被用来监测环境中粒子的动态行为和纯粒子浓度的变化。下一步将是改进微激光的光路和增益介质，以检测dna和单个生物分子。