溫度，作為物理屬性之一，在物理、化學、以及生物系統(tǒng)中扮演者極其重要的角色。因此，基于微納光學的熱傳感技術在科學、工程、和工業(yè)等領域得到了極大的關注，如新材料、能量收集、生物醫(yī)學研究、醫(yī)療保健和環(huán)境監(jiān)測，其中，精確和連續(xù)地監(jiān)測人體內的溫度變化，理解人體內的熱平衡現象，為COVID-19、創(chuàng)傷性腦損傷，以及癌癥等疾病的初期診斷起到至關重要的作用。

基于微納光學器件傳感器的基本原理是：將被測對象置于微納光結構中，從而將微納結構中的光場與被測對象耦合起來。處于光場中的被測對象的變化會改變光場的光學性質（如光場的強度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等），通過測量這些光學性質的改變就可以反推出被測對象的信息。由于微納光學器件可以將高能量的光信號局域在微納尺度上，因此這類器件對微弱信號具有極高的響應靈敏度。 為了提高微納光學傳感器的傳感精度，需要引入有效的納米光學場增強機制，提高光場與被測對象的耦合強度。 針對這一問題，一種可能的解決方法是引入光學微腔，延長光場中光子在微納光結構中的壽命，通過光學微腔的共振增強效果提高光場與被測對象的耦合強度，從而提高傳感器的傳感精度。 由于光學微腔可以將高能量密度的光局域于很小的尺度上，且光子在這類結構中通常具有很長的壽命，因而可以很好地與放置在光場中的被測對象發(fā)生相互作用。 光學微腔用于微納傳感的傳感靈敏精度通常由如下公式決定：

光腔傳感器靈敏精度=光腔品質因子/光腔模式體積

光腔品質因子是描述光腔好壞程度的一個非常重要且基本的指標，其定義為當光進入光學微腔之后，被局域于光學微腔中的能量與泄露到光學微腔之外的能量的比例。

光腔的模式體積是光腔另一個重要且基本的指標，代表光學模式在空間中的局域程度，定義為光學模式在全空間積分比上光學模式在空間中強度的最大值，模式體積越小說明光在微納結構中局域化程度越好。

從光腔傳感器的靈敏精度公式可以看出：光腔品質因子越高，模式體積越小，光腔傳感器的精度越高。在不同的光學微腔中，回音壁模式的微腔具有光學品質因子高，模式體積小的特點，因此特別適合做高靈敏微納傳感器。 回音壁模式的光學微腔是將玻璃或其他導光材料制備成圓形結構，當光沿切向方向進入此類環(huán)形微腔時，由于玻璃等導光材料與空氣接觸面的全反射效應，光會沿環(huán)形微腔的外壁反射傳播。由于此類微腔光的傳播路徑類似于北京天壇公園著名建筑回音壁的聲波沿回音壁圍墻傳播，因此被命名為回音壁模式微腔。 回音壁模式微腔中，光場不僅被限制在環(huán)狀結構內，有部分光場會泄露到環(huán)狀結構附近的區(qū)域內，稱為倏逝場。當人們將被測對象貼近回音壁模式微腔，進入倏逝場作用范圍內時，被測對象會影響回音壁模式中的光場分布，從而可用于微納傳感。 基于回音壁模式光學微腔的溫度傳感器其原理是：當傳感器受外界溫度變化的影響，導致回音壁模式微腔中的光譜的發(fā)生改變，因此，通過跟蹤光譜的變化，可以實現溫度傳感。

然而，雖然回音壁模式的光學微腔具有良好的靈敏度和分辨率，但仍難以用于實際的溫度探測，原因有兩點：

基于回音壁模式光學微腔的常規(guī)傳感方法仍依賴于跟蹤單個模式的變化，激光源線寬限制了監(jiān)測的動態(tài)范圍。在測量過程中，必須及時對激光源波長范圍進行微調，以繼續(xù)追蹤所選的模式變化。

基于回音壁模式光學微腔的光譜變化僅能反應溫度的變化量，我們不能從光譜中直接得出實際溫度，而只能得出相對的溫度變化。

為了解決這兩個問題，近日，來自美國圣路易斯華盛頓大學的楊蘭教授和學生研發(fā)了一種基于微泡結構的回音壁條形碼溫度傳感器， 并且提出了全新的頻譜分析方法，即從回音壁模式頻譜中多個模式的集體行為獲取信息。 該成果以“Optical whispering-gallery mode barcodes for high-precision and wide-range temperature measurements”為題發(fā)表在Light: Science & Applications。 回音壁模式光學條形碼技術的傳感機制依賴于對回音壁模式光譜中集體模式的分析?；匾舯谀Ｊ街C振腔的透射光譜在不同的溫度下具有不同的光譜特征(諧振波長、模式間隔、耦合深度、線寬等)，換句話說：“特定的溫度對應于獨特的光譜模式。”

回音壁模式光學條形碼技術（原理圖） 圖源：Light: Science & Applications /圖譯：Alex 撰稿人 在進行實際溫度測量之前，研究人員會記錄多個溫度下對應的光譜，并將其作為該溫度下的標準條形碼錄入預校準數據庫，以便后期校準。隨后，測量某一溫度下傳感器的光譜，并生成相應的光學條形碼。通過將該條形碼與預校準數據庫中的標準條形碼進行比較，搜索具有最佳重疊的模式，進而確定實際溫度。 這種對回音壁條形碼進行比較的方式，打破了傳統(tǒng)溫度傳感記錄溫度變化的模式，實現了直接對測量溫度的讀取。此外，文章中提出的回音壁光學條碼溫度傳感器不依賴于跟蹤特定模式的偏移，而是集體模式的變化。即使某一特定模式在溫度測量中超出頻譜范圍，集體模式在不同溫度下仍產生相應的光譜變化，進而對應于特定的光譜條碼。

回音壁模式光學條形碼溫度傳感器的安裝（示意圖） 圖源：Light: Science & Applications /圖譯：Alex 撰稿人 為驗證回音壁條形碼溫度傳感器在實際工作中的性能，楊蘭教授和科研組人員針對30℃、31℃和34℃下，傳統(tǒng)回音壁溫度傳感器的單模跟蹤和文章中多模條形碼檢測之間進行比較。 對于傳統(tǒng)回音壁溫度傳感器的單模跟蹤，被追蹤的模式只能在很小的溫度變化(30–31℃)內被識別和跟蹤，當模式移出光譜范圍時，無法進一步跟蹤光譜偏移量來確定溫度變化。而回音壁條形碼技術的多模模式感測機制，不依賴于跟蹤特定模式的偏移，而是特定溫度下整體模式的分析，在保證回音壁高溫敏性的基礎上增大了溫度檢測的范圍。同時，與溫度信息一一對應的回音壁條形碼，能夠更加直觀的反應外界溫度的變化。

技術應用場景

回音壁光學條碼傳感技術的應用不限于溫度傳感，它也可以在生化傳感、納米粒子檢測、磁性檢測、光聲中實現檢測?；匾舯诠鈱W條形碼技術將高靈敏度、高分辨率和大動態(tài)范圍測量集成到一個高性能傳感平臺中，無需額外的復雜設計和昂貴的組件。從物理熱力學到化學熱力學，從機器人傳感到生物醫(yī)學研究中的熱現象，回音壁光學條碼傳感技術的應用前景十分廣闊。

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