由圣路易斯華盛頓大學電氣和系統(tǒng)工程副教授楊蘭博士帶領的研究小組,同清華大學合作開發(fā)出了一種新型傳感器,可以將檢測級別提高到10nm,并實現(xiàn)逐一計數(shù)。研究人員表示,該傳感器有望檢測出更小的粒子、病毒和小分子。該研究結(jié)果刊登在2014年9月1日《美國國家科學院學報》的在線早報上。
楊教授及其同事研發(fā)除了基于二氧化硅晶片的微型拉曼激光傳感器,可用以探測單個納米微粒,不再需要將稀土離子“涂覆”在硅晶片來為激光器提供光增益。傳統(tǒng)方法中,將附加物覆蓋到微諧振腔需要更多的處理步驟、成本,以及更高的生物相容性風險。除此之外,利用稀土離子需要與離子能量轉(zhuǎn)換相匹配的特定泵浦激光,才能獲得光學增益,因而不同的稀土離子需要不同的泵浦光。楊教授說,利用拉曼光譜檢測可以降低對泵浦光的光譜限制,因為可以用任意波長的泵浦光實現(xiàn)受激拉曼散射。
該課題組的研究科學家、本文第一作者SahinKayaOzdemir博士表示:“這為我們的研究提供了方便,可以通過控制激光頻率,在不同環(huán)境下使用同一種無摻雜傳感器。例如,僅僅改變泵浦光的波長就可以得到環(huán)境的最小吸收波段或匹配目標納米微粒的特性。
楊蘭的研究團隊利用其開創(chuàng)的模態(tài)分離技術(shù)將拉曼激光整合到一個硅微腔中,來研發(fā)這種對納米微粒檢測能力更強的新型傳感器。該技術(shù)將有利于電子、聲學、生物醫(yī)學、等離子、安全以及超材料領域。
他們的這類微傳感器被稱為回音廊模式諧振腔,因為它的工作方式類似于圣保羅大教堂里著名的回音廊,在圓頂?shù)囊欢丝梢月牭搅硪欢说娜怂f的話。楊蘭團隊的設備利用了類似的原理,只是利用光波代替了聲波。
早期的諧振腔較之新型的形態(tài)學諧振腔不同的是,它們沒有反射鏡。楊蘭團隊的WGMR實際上是一種微型激光器,支持“頻率簡并模式”,即激光器環(huán)形圈內(nèi)部的頻率相同。拉曼激光器的一部分光逆時針旋轉(zhuǎn),另一部分瞬時間旋轉(zhuǎn)。一旦粒子落在環(huán)上并分散這些模式的能量,一條拉曼激光就會分裂成兩條不同頻率的激光。
當諧振腔中產(chǎn)生拉曼激光光束,它可能會遇到一個環(huán)形圈上的粒子,比如病毒微粒。這條光束會先分成兩束,之后兩條激光束會作為彼此的參照,從而形成一個自參考傳感模式。
Ozdemir說:“我們的新型傳感器不同于早期的回音廊傳感器,因為它依賴拉曼增益,而這是二氧化硅固有的特性,從而不必再用增益介質(zhì)(稀土離子或光染料)涂覆微腔來提高檢測能力。它同時保留了二氧化硅的生物相容性,對于生物介質(zhì)傳感有很大的應用前景。”
楊蘭博士表示,不論用什么波段的光,只要激光器內(nèi)部具有拉曼激光循環(huán),并且有微粒停留在環(huán)形圈上,當光束遇到微粒就會分散到各個方向。通過分離逆時針和順時針旋轉(zhuǎn)的兩種模式,傳感器就可以確認檢測到了納米微粒。
該研究團隊除了闡釋傳感器的微型拉曼激光器,還指出了利用固有增益機制的可能性,例如拉曼增益和參數(shù)增益,這將替代光染料、稀土離子或量子點,從而補償光學和等離子系統(tǒng)的損耗。
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