當科學研究深入到納米領域，由於(yu) 目標太小難以精確計量，會(hui) 讓實驗變得難以控製。日前，美國華盛頓大學科學家開發出一種比針尖還要小的環形激光傳(chuan) 感器，能精確探測單個(ge) 病毒、形成雲(yun) 的微塵顆粒以及空氣中的汙染物。改變傳(chuan) 感器中的“增益介質”，還能用於(yu) 探測水中甚至血液中的微粒。該研究發表在6月26日的《自然—納米技術》網站上。

回音廊式激光傳(chuan) 感器

這種微型激光傳(chuan) 感器屬於(yu) 一種回音廊式共振傳(chuan) 感器，由矽玻璃製造。工作原理就像英國聖保羅大教堂裏著名的回音廊，一邊的人對著廊壁說話，另一邊的人就能聽到。但與(yu) 回音廊不同的是，這種傳(chuan) 感器共振的不是聲波而是光波。

激光器由底座支起一個(ge) “頻率衰減模”（環路中激光發射的模式或形狀），兩(liang) 束激光以相同頻率、相反方向圍繞環形光路傳(chuan) 播。模場中有一個(ge) “短暫尾跡”透過環表麵，探測著周邊環繞的介質。當一個(ge) 微粒落在激光環上，就會(hui) 使一個(ge) 光模中的能量分散到另一個(ge) 光模中，從(cong) 而使兩(liang) 個(ge) 光模的共振頻率略有不同，使光模發生分裂，一束激光就分裂為(wei) 頻率不同的兩(liang) 束，將它們(men) 導入光電探測器，會(hui) 由於(yu) 頻率的不同而產(chan) 生一種“打擊頻率”， 從(cong) 而分別測得兩(liang) 束激光的頻率。

“由於(yu) 微型傳(chuan) 感激光器是用溶膠的方法在矽晶片生產(chan) ，增益介質很容易改變，所以能大量生產(chan) 。”論文第一作者、華盛頓大學聖路易斯分校電學與(yu) 係統工程係研究生何麗(li) 娜（音譯）說，“人們(men) 可以選擇性地混合稀土離子，加入四乙氧基矽烷溶液、水或鹽酸，加熱它們(men) 直到變得黏稠，然後旋轉覆蓋在矽晶片上，退火後清除溶劑，就形成了完整的非結晶玻璃。再用蝕刻方法把薄薄的玻璃膜製成矽光盤，在下麵用矽柱支撐。最後，通過激光退火處理，使粗糙的矽光盤變成光滑的環形共振腔。”

主動共振勝於(yu) 被動

在早期的研究中，研究小組用普通的玻璃環作為(wei) 波導，實驗模分裂，並使入射光獲得增益。但這種環路是被動的，外部激光必須用昂貴的可調激光，才能涵蓋檢測模分裂所要求的頻率範圍。

新型共振傳(chuan) 感器本身就是一個(ge) 微型激光器，而不僅(jin) 僅(jin) 是外部激光的共振腔。雖然也用玻璃製成，但摻雜了稀土原子作為(wei) “增益介質”。當外部光源達到激發態時，共振環就開始以自身更純的頻率發射激光。

“用於(yu) 感測的光是共振器本身從(cong) 內(nei) 部產(chan) 生，所以比被動式傳(chuan) 感器更加純淨。如果光不純，就無法看到微小的頻率變化。但主動傳(chuan) 感激光器隻有一個(ge) 頻率，是真正的窄線寬，所以它更加敏感。”領導該研究的該校電學與(yu) 係統工程副教授楊蘭(lan) （音譯）說，“新型激光環的敏感性比原來被動傳(chuan) 感器要高出好幾個(ge) 數量級，有效分辨率達到1納米。環路傳(chuan) 播的方式也讓整個(ge) 係統更加簡單融洽。現在你隻需一個(ge) 光源來激發光介質，因此能用上一種廉價(jia) 的激光二極管，而不是昂貴的可調激光。”

探測多種微粒

小微粒在日常生活中扮演重要角色，而人們(men) 通常忽視了它們(men) 。病毒微粒讓我們(men) 生病，鹽微粒形成了雲(yun) ，煙灰微粒進入我們(men) 的肺，讓我們(men) 難以呼吸。為(wei) 了探測各種小微粒，研究人員用不同大小和材質的納米微粒測試了微激光器的性能，包括聚苯乙烯、病毒粒子和黃金微粒。

一顆微粒對於(yu) 一束激光模的影響依賴於(yu) 它的“極化性”，“極化性”是微粒大小和折射率的函數。當微粒一個(ge) 個(ge) 進入微激光的“模式圈”，探測器頻率上就會(hui) 出現獨立的上下跳動，形成打擊頻率。每個(ge) 獨立跳動信號都表示有一個(ge) 微粒撞到了環上，跳動的次數就反映了微粒的數量。

激光傳(chuan) 感器是通過“共振場”把微粒捕獲到共振器上，一旦微粒落到激光環上就很難落下來。當微粒太多時，激光線寬就會(hui) 變得模糊，最終導致無法探測到新分裂的頻率變化。“當線寬和分裂變化相當時，就不能再測了，如果需要你可以換一個(ge) 來用。”楊蘭(lan) 說。以金粒子為(wei) 例，同一個(ge) 激光器模能探測到816個(ge) 金納米粒子。

微激光器能同時支持多個(ge) 光模。用兩(liang) 個(ge) 光模重疊檢測能生成兩(liang) 個(ge) 打擊頻率，能預防探測中的“疏忽”，確保每個(ge) 微粒都能產(chan) 生可探測的打擊頻率。

改變微激光器的增益介質，能感測不同介質中的微粒，研究小組正在研究利用增強微激光的敏感性來解決(jue) 多種問題。如感測空氣中微粒的用鉺元素（一種稀土元素）來摻雜，其光學屬性與(yu) 空氣正好符合。感測水中微粒的用鐿元素來摻雜，水對鐿發出的激光波長吸收率很低。最終還將用於(yu) 檢測血液中微粒的數量。

楊蘭(lan) 表示，這種傳(chuan) 感激光器有望商業(ye) 化，廣泛用於(yu) 從(cong) 生物到航空科學各個(ge) 領域。近期內(nei) 可能用於(yu) 監控環境中粒子的動態行為(wei) 、單純粒子濃度變化等。下一步將通過改進微激光器的光路和增益介質，用來探測DNA和單個(ge) 生物分子