光學(xué)傳感器是光科學(xué)領(lǐng)域最重要的應(yīng)用之一。它在天文學(xué)、環(huán)境科學(xué)、工業(yè)以及醫(yī)療診斷等領(lǐng)域都發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

盡管光學(xué)傳感器所用的方案有很多種，但是它們都分享著同一原則：被測(cè)量的物理量必須在系統(tǒng)的光學(xué)響應(yīng)上留下一個(gè)“指紋”。這個(gè)“指紋”可以是光線的傳輸、反射或者吸收。這些效應(yīng)越強(qiáng)，系統(tǒng)的響應(yīng)就越強(qiáng)。

雖然這種測(cè)量在宏觀水平表現(xiàn)得很好，但是測(cè)量誘發(fā)微弱響應(yīng)的微觀物理量是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。研究人員們開發(fā)了各種技術(shù)，以克服這個(gè)困難并提升他們?cè)O(shè)備的靈敏度。有一些技術(shù)，基于在稱為“光學(xué)諧振器”的微型盒子中囚禁光線，成功檢測(cè)出微型粒子和相對(duì)較大的生物成分。

盡管如此，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)小型納米顆粒以及最終檢測(cè)單分子的能力，仍然頗具挑戰(zhàn)性。目前的嘗試集中在一種特殊的光陷阱裝置，它也稱為“微環(huán)諧振器“。這些裝置改善了光線與要檢測(cè)的分子之間的相互作用。然而，這些裝置的靈敏度受到基礎(chǔ)物理學(xué)的限制。

基于特殊表面的傳感器。這種微環(huán)諧振器通過(guò)部分反光的端反射鏡與波導(dǎo)發(fā)生耦合，從而提升光線靈敏度

為解決這個(gè)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究人員都做出了許多的努力。近日美國(guó)密歇根理工大學(xué)官網(wǎng)報(bào)道，他們提出了一種高靈敏度的光學(xué)傳感器。他們的研究是基于特殊表面（由特殊點(diǎn)組成的表面）的新概念。

什么是特殊點(diǎn)？我們可以想象一個(gè)具有兩根弦的小提琴。大體上，這個(gè)小提琴可以產(chǎn)生兩種不同的音調(diào)，這種情況對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)的光學(xué)諧振器。如果一根弦的振動(dòng)能以一種方式（聲音和彈性振動(dòng)僅產(chǎn)生一個(gè)音調(diào)以及一個(gè)共同的弦運(yùn)動(dòng)）改變另外一根弦的振動(dòng)，那么系統(tǒng)就具有特殊點(diǎn)。

具有特殊點(diǎn)的物理系統(tǒng)非常脆弱。換句話說(shuō)，任何小擾動(dòng)都會(huì)顯著地改變其行為。這個(gè)特征使得系統(tǒng)對(duì)任何信號(hào)都高度敏感。“盡管如此，基于特殊點(diǎn)的傳感器的這種提升的靈敏度，同樣也是其致命弱點(diǎn)。這些設(shè)備對(duì)于無(wú)法避免的制造誤差以及不希望有的環(huán)境變化都非常敏感。”研究人員接著說(shuō)，靈敏度使得之前實(shí)驗(yàn)演示的調(diào)諧技巧變得不可或缺。

研究人員表示：“我們目前的提案減輕了由于引入新系統(tǒng)所帶來(lái)的大部分問(wèn)題，新系統(tǒng)的靈敏度與之前工作所報(bào)告的提升的靈敏度一致，同時(shí)不會(huì)受到大多數(shù)不可避免的實(shí)驗(yàn)不確定性的影響。”