微小激光环可精确计量纳米粒子

2011-7-04 09:34 来源: 中国科学院
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  当科学研究深入到纳米领域,由于目标太小难以精确计量,会让实验变得难以控制。日前,美国华盛顿大学科学家开发出一种比针尖还要小的环形激光传感器,能精确探测单个病毒、形成云的微尘颗粒以及空气中的污染物。改变传感器中的“增益介质”,还能用于探测水中甚至血液中的微粒。该研究发表在6月26日的《自然·纳米技术》网站上。

  回音廊式激光传感器

  这种微型激光传感器属于一种回音廊式共振传感器,由硅玻璃制造。工作原理就像英国圣保罗大教堂里著名的回音廊,一边的人对着廊壁说话,另一边的人就能听到。但与回音廊不同的是,这种传感器共振的不是声波而是光波。

  激光器由底座支起一个“频率衰减模”(环路中激光发射的模式或形状),两束激光以相同频率、相反方向围绕环形光路传播。模场中有一个“短暂尾迹”透过环表面,探测着周边环绕的介质。当一个微粒落在激光环上,就会使一个光模中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,使光模发生分裂,一束激光就分裂为频率不同的两束,将它们导入光电探测器,会由于频率的不同而产生一种“打击频率”,从而分别测得两束激光的频率。

  “由于微型传感激光器是用溶胶的方法在硅晶片生产,增益介质很容易改变,所以能大量生产。”论文第一作者、华盛顿大学圣路易斯分校电学与系统工程系研究生何丽娜(音译)说,“人们可以选择性地混合稀土离子,加入四乙氧基硅烷溶液、水或盐酸,加热它们直到变得黏稠,然后旋转覆盖在硅晶片上,退火后清除溶剂,就形成了完整的非结晶玻璃。再用蚀刻方法把薄薄的玻璃膜制成硅光盘,在下面用硅柱支撑。最后,通过激光退火处理,使粗糙的硅光盘变成光滑的环形共振腔。”

  主动共振胜于被动

  在早期的研究中,研究小组用普通的玻璃环作为波导,实验模分裂,并使入射光获得增益。但这种环路是被动的,外部激光必须用昂贵的可调激光,才能涵盖检测模分裂所要求的频率范围。

  新型共振传感器本身就是一个微型激光器,而不仅仅是外部激光的共振腔。虽然也用玻璃制成,但掺杂了稀土原子作为“增益介质”。当外部光源达到激发态时,共振环就开始以自身更纯的频率发射激光。

  “用于感测的光是共振器本身从内部产生,所以比被动式传感器更加纯净。如果光不纯,就无法看到微小的频率变化。但主动传感激光器只有一个频率,是真正的窄线宽,所以它更加敏感。”领导该研究的该校电学与系统工程副教授杨兰(音译)说,“新型激光环的敏感性比原来被动传感器要高出好几个数量级,有效分辨率达到1纳米。环路传播的方式也让整个系统更加简单融洽。现在你只需一个光源来激发光介质,因此能用上一种廉价的激光二极管,而不是昂贵的可调激光。”

  探测多种微粒

  小微粒在日常生活中扮演重要角色,而人们通常忽视了它们。病毒微粒让我们生病,盐微粒形成了云,烟灰微粒进入我们的肺,让我们难以呼吸。为了探测各种小微粒,研究人员用不同大小和材质的纳米微粒测试了微激光器的性能,包括聚苯乙烯、病毒粒子和黄金微粒。

  一颗微粒对于一束激光模的影响依赖于它的“极化性”,“极化性”是微粒大小和折射率的函数。当微粒一个个进入微激光的“模式圈”,探测器频率上就会出现独立的上下跳动,形成打击频率。每个独立跳动信号都表示有一个微粒撞到了环上,跳动的次数就反映了微粒的数量。

  激光传感器是通过“共振场”把微粒捕获到共振器上,一旦微粒落到激光环上就很难落下来。当微粒太多时,激光线宽就会变得模糊,最终导致无法探测到新分裂的频率变化。“当线宽和分裂变化相当时,就不能再测了,如果需要你可以换一个来用。”杨兰说。以金粒子为例,同一个激光器模能探测到816个金纳米粒子。

  微激光器能同时支持多个光模。用两个光模重叠检测能生成两个打击频率,能预防探测中的“疏忽”,确保每个微粒都能产生可探测的打击频率。

  改变微激光器的增益介质,能感测不同介质中的微粒,研究小组正在研究利用增强微激光的敏感性来解决多种问题。如感测空气中微粒的用铒元素(一种稀土元素)来掺杂,其光学属性与空气正好符合。感测水中微粒的用镱元素来掺杂,水对镱发出的激光波长吸收率很低。最终还将用于检测血液中微粒的数量。

  杨兰表示,这种传感激光器有望商业化,广泛用于从生物到航空科学各个领域。近期内可能用于监控环境中粒子的动态行为、单纯粒子浓度变化等。下一步将通过改进微激光器的光路和增益介质,用来探测DNA和单个生物分子。