基于微纳光学器件的传感器基本原理

温度作为物理性质之一，在物理、化学和生物系统中起着极其重要的作用。因此，基于微纳光学的热传感技术在新材料、能量收集、生物医学研究、医疗保健和环境监测等科学、工程、工业等领域受到了极大的关注。其中，准确、连续地监测人体内的温度变化，了解人体内的热平衡现象，对新冠肺炎病、创伤性脑损伤和癌症的初步诊断起着至关重要的作用。

基于微纳光学器件的传感器的基本原理是将被测物体置于微纳光学结构中，使微纳结构中的光场与被测物体耦合。被测物体在光场中的变化会改变光场的光学性质(如强度、波长、频率、相位、偏振态等)。)，通过测量这些光学性质的变化可以推导出被测物体的信息。微纳光学器件可以在微纳尺度上定位高能光信号，因此这些器件对微弱信号具有极高的响应灵敏度。为了提高微纳光学传感器的传感精度，有必要引入一种有效的纳米光场增强机制来提高光场与被测物体之间的耦合强度。为了解决这个问题，一种可能的解决方案是引入光学微腔，以延长微纳米光学结构中光子的寿命，并通过光学微腔的共振增强效应提高光场与被测物体之间的耦合强度，从而提高传感器的传感精度。由于光学微腔可以在小尺度上局域化高能量密度的光，并且光子在这种结构中通常具有较长的寿命，所以它可以与置于光场中的被测物体很好地相互作用。用于微纳传感的光学微腔的敏感精度通常由以下公式确定：

光腔传感器的灵敏度精度=光腔品质因数/光腔模体积

光腔质量因子是描述光腔质量的一个非常重要和基本的指标，它被定义为光进入光微腔后，光微腔内局域化的能量与光微腔外泄漏的能量之比。

光腔的模体积是光腔的另一个重要且基本的指标，代表光模在空间中的局域化程度，定义为光模在空间中相对于光模在整个空间中的最大强度。模式体积越大，亮光在微纳结构中的局域化程度越好。

从光腔传感器的灵敏度精度公式可以看出，光腔的品质因数越高，模体积越小，光腔传感器的精度越高。在不同的光学微腔中，回音壁模式微腔具有光学品质因数高、模式尺寸小的特点，因此特别适用于高灵敏度的微纳传感器。回音壁模式光学微腔是由玻璃或其他光导材料制成的圆形结构。当光沿切线方向进入这类环形微腔时，由于玻璃、空气等光导材料之间接触面的全反射效应，光会沿环形微腔外壁反射传播。因为这种微腔光的传播路径与北京天坛公园著名建筑的回音壁相似，所以被命名为回音壁模式微腔。在回音壁模式微腔中，光场不仅局限在环形结构中，而且一些光场会泄漏到环形结构附近的区域，称为倏逝场。当人们将被测物体靠近回音壁模式微腔并进入倏逝场范围时，被测物体会影响回音壁模式下的光场分布，因此可用于微纳传感。基于回音壁模式光学微腔的温度传感器的原理是，当传感器受到外界温度变化的影响时，回音壁模式微腔中的光谱发生变化，因此可以通过跟踪光谱的变化来实现温度传感。

然而，尽管回音壁模式光学微腔h

传统的基于回音壁模式光学微腔的传感方法仍然依赖于跟踪单模的变化，激光光源的线宽限制了监测的动态范围。在测量过程中，必须及时微调激光源的波长范围，以跟踪选定的模式变化。

基于回音壁模式的光学微腔的光谱变化只能反映温度变化，因此我们不能直接从光谱中得到实际温度，只能得到相对温度变化。

为了解决这两个问题，最近，杨澜教授和美国圣路易斯华盛顿大学的学生开发了一种基于微泡结构的回音壁条形码温度传感器，并提出了一种新的光谱分析方法，即从回音壁模式光谱中多模式的集体行为中获取信息。该成果发表在《Light:ScienceApplications应用》杂志上，标题为“用于高精度和宽范围性能测量的光学耳语-gallerymodel条形码”。回音壁模式光学条形码技术的传感机理依赖于回音壁模式光谱中集体模式的分析。回音壁模式谐振器的传输光谱具有不同的光谱特性(谐振波长、模式间隔、耦合深度、线宽等)。)在不同的温度下，换句话说：“一个特定的温度对应一个独特的光谱模式。”

回波墙模式光学条形码技术(示意图)来源：Light:ScienceApplications应用/翻译：在Alex writers测量实际温度之前，研究人员会记录多个温度下的相应光谱，并记录到预校准数据库中，作为该温度下的标准条形码，以供以后校准。然后，测量传感器在一定温度下的光谱，生成相应的光学条码。通过将条形码与预校准数据库中的标准条形码进行比较，搜索重叠最佳的模式，然后确定实际温度。这种比较回波条码的方式打破了传统的通过温度传感记录温度变化的方式，实现了对被测温度的直接读取。另外，本文提出的回音壁光学条码温度传感器并不依赖于跟踪特定模式的偏差，而是依赖于集体模式的变化。即使特定模式超过温度测量中的光谱范围，集体模式仍然在不同温度下产生相应的光谱变化，然后对应于特定的光谱条形码

回音壁模式光学条形码温度传感器的安装（示意图）图源：Light:Science&Applications/图译：Alex撰稿人为验证回音壁条形码温度传感器在实际工作中的性能，杨兰教授和科研组人员针对30℃、31℃和34℃下，传统回音壁温度传感器的单模跟踪和文章中多模条形码检测之间进行比较。对于传统回音壁温度传感器的单模跟踪，被追踪的模式只能在很小的温度变化(30–31℃)内被识别和跟踪，当模式移出光谱范围时，无法进一步跟踪光谱偏移量来确定温度变化。而回音壁条形码技术的多模模式感测机制，不依赖于跟踪特定模式的偏移，而是特定温度下整体模式的分析，在保证回音壁高温敏性的基础上增大了温度检测的范围。同时，与温度信息一一对应的回音壁条形码，能够更加直观的反应外界温度的变化。

技术应用场景

回音壁光学条码传感技术的应用不限于温度传感，它也可以在生化传感、纳米粒子检测、磁性检测、光声中实现检测。回音壁光学条形码技术将高灵敏度、高分辨率和大动态范围测量集成到一个高性能传感平台中，无需额外的复杂设计和昂贵的组件。从物理热力学到化学热力学，从机器人传感到生物医学研究中的热现象，回音壁光学条码传感技术的应用前景十分广阔。

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