溫度，作為物理屬性之一，在物理、化學(xué)、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(xué)的熱傳感技術(shù)在科學(xué)、工程、和工業(yè)等領(lǐng)域得到了極大的關(guān)注，如新材料、能量收集、生物醫(yī)學(xué)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(nèi)的溫度變化，理解人體內(nèi)的熱平衡現(xiàn)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(guān)重要的作用。

基于微納光學(xué)器件傳感器的基本原理是：將被測對象置于微納光結(jié)構(gòu)中，從而將微納結(jié)構(gòu)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(xué)性質(zhì)（如光場的強(qiáng)度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等），通過測量這些光學(xué)性質(zhì)的改變就可以反推出被測對象的信息。由于微納光學(xué)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(yīng)靈敏度。 為了提高微納光學(xué)傳感器的傳感精度，需要引入有效的納米光學(xué)場增強(qiáng)機(jī)制，提高光場與被測對象的耦合強(qiáng)度。 針對這一問題，一種可能的解決方法是引入光學(xué)微腔，延長光場中光子在微納光結(jié)構(gòu)中的壽命，通過光學(xué)微腔的共振增強(qiáng)效果提高光場與被測對象的耦合強(qiáng)度，從而提高傳感器的傳感精度。 由于光學(xué)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(jié)構(gòu)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(xué)微腔用于微納傳感的傳感靈敏精度通常由如下公式?jīng)Q定：

光腔傳感器靈敏精度=光腔品質(zhì)因子/光腔模式體積

光腔品質(zhì)因子是描述光腔好壞程度的一個非常重要且基本的指標(biāo)，其定義為當(dāng)光進(jìn)入光學(xué)微腔之后，被局域于光學(xué)微腔中的能量與泄露到光學(xué)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(biāo)，代表光學(xué)模式在空間中的局域程度，定義為光學(xué)模式在全空間積分比上光學(xué)模式在空間中強(qiáng)度的最大值，模式體積越小說明光在微納結(jié)構(gòu)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(zhì)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(xué)微腔中，回音壁模式的微腔具有光學(xué)品質(zhì)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(xué)微腔是將玻璃或其他導(dǎo)光材料制備成圓形結(jié)構(gòu)，當(dāng)光沿切向方向進(jìn)入此類環(huán)形微腔時，由于玻璃等導(dǎo)光材料與空氣接觸面的全反射效應(yīng)，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(jié)構(gòu)內(nèi)，有部分光場會泄露到環(huán)狀結(jié)構(gòu)附近的區(qū)域內(nèi)，稱為倏逝場。當(dāng)人們將被測對象貼近回音壁模式微腔，進(jìn)入倏逝場作用范圍內(nèi)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(xué)微腔的溫度傳感器其原理是：當(dāng)傳感器受外界溫度變化的影響，導(dǎo)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(xiàn)溫度傳感。

然而，雖然回音壁模式的光學(xué)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(xué)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(jìn)行微調(diào)，以繼續(xù)追蹤所選的模式變化。

基于回音壁模式光學(xué)微腔的光譜變化僅能反應(yīng)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(xué)的楊蘭教授和學(xué)生研發(fā)了一種基于微泡結(jié)構(gòu)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(xué)條形碼技術(shù)的傳感機(jī)制依賴于對回音壁模式光譜中集體模式的分析。回音壁模式諧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(yīng)于獨特的光譜模式。”

回音壁模式光學(xué)條形碼技術(shù)（原理圖） 圖源：Light: Science & Applications /圖譯：Alex 撰稿人 在進(jìn)行實際溫度測量之前，研究人員會記錄多個溫度下對應(yīng)的光譜，并將其作為該溫度下的標(biāo)準(zhǔn)條形碼錄入預(yù)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，以便后期校準(zhǔn)。隨后，測量某一溫度下傳感器的光譜，并生成相應(yīng)的光學(xué)條形碼。通過將該條形碼與預(yù)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫中的標(biāo)準(zhǔn)條形碼進(jìn)行比較，搜索具有最佳重疊的模式，進(jìn)而確定實際溫度。 這種對回音壁條形碼進(jìn)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(xiàn)了直接對測量溫度的讀取。此外，文章中提出的回音壁光學(xué)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(chǎn)生相應(yīng)的光譜變化，進(jìn)而對應(yīng)于特定的光譜條碼。

回音壁模式光學(xué)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(jìn)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(nèi)被識別和跟蹤，當(dāng)模式移出光譜范圍時，無法進(jìn)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(shù)的多模模式感測機(jī)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(chǔ)上增大了溫度檢測的范圍。同時，與溫度信息一一對應(yīng)的回音壁條形碼，能夠更加直觀的反應(yīng)外界溫度的變化。

技術(shù)應(yīng)用場景

回音壁光學(xué)條碼傳感技術(shù)的應(yīng)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(xiàn)檢測。回音壁光學(xué)條形碼技術(shù)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(fù)雜設(shè)計和昂貴的組件。從物理熱力學(xué)到化學(xué)熱力學(xué)，從機(jī)器人傳感到生物醫(yī)學(xué)研究中的熱現(xiàn)象，回音壁光學(xué)條碼傳感技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣闊。

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