创新的传感平台解锁了传统传感器的超高灵敏度

光学传感器是众多科学和技术努力的支柱，从检测引力波到用于医学诊断的生物组织成像。这些传感器使用光来检测它们所监测的环境特性的变化，包括化学生物标志物和温度等物理特性。光学传感领域的一个长期挑战是提高灵敏度，以检测噪声中的微弱信号。

圣路易斯华盛顿大学麦凯维工程学院电气与系统工程教授Lan Yang的新研究揭示了高级光学传感的异常点（EP）的力量。在4月5日发表在《科学进展》（Science Advances）上的一项研究中，杨和第一作者、杨实验室的博士生毛文波（Wenbo 毛）表明，这些独特的EP（可能发生非凡光学现象的系统中的特定条件）可以部署在传统传感器上，以实现对环境扰动的惊人灵敏度。

Yang和毛开发了一种EP增强的传感平台，克服了以前方法的局限性。与需要对传感器本身进行修改的传统方法不同，他们的创新系统具有一个 EP 控制单元，可以插入物理分离的外部传感器。这种配置允许仅通过调整控制单元来调整 EP，从而实现超高灵敏度，而无需对传感器进行复杂的修改。

“我们已经实施了一个新颖的平台，可以为传统的光学传感器提供EP增强，”Yang说。“该系统代表了EP增强传感的革命性扩展，大大扩展了其适用性和通用性。任何相敏传感器都可以通过连接到此配置来获得更高的灵敏度并降低检测限。只需调整控制单元，这种EP配置就可以适应各种传感场景，如环境检测、健康监测和生物医学成像。

通过分离传感和控制功能，Yang和毛有效地规避了EP操作传感器的严格物理要求，这些要求迄今为止阻碍了它们的广泛采用。这为EP增强应用于各种传统传感器扫清了道路，包括环形谐振器、热传感器和磁传感器，以及拾取振动或检测生物标志物扰动的传感器，从而大大提高了科学家已经在使用的传感器的检测限。将控制单元设置为 EP 后，传感器可以以不同的方式运行（而不是在 EP 上），并且仍然可以获得 EP 增强的好处。

作为概念验证，Yang的团队测试了系统的检测限，即检测系统噪声微弱扰动的能力。他们证明，与传统传感器相比，使用EP增强配置的传感器检测限降低了六倍。

“通过这项工作，我们已经证明我们可以显着提高检测信号较弱的扰动的能力，”毛说。“我们现在专注于将这一理论广泛应用。我特别专注于医疗应用，特别是致力于增强磁传感，这可用于改进 MRI 技术。目前，MRI需要整个房间进行仔细的温度控制。我们的EP平台可用于增强磁传感，以实现便携式床旁MRI。

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毛 W， Fu Z， Li Y， Li F， and Yang L. Exceptional Point-enhanced 相位传感.科学进展，2024 年 4 月 5 日。DOI： https://doi.org/10.1126/sciadv.adl5037

该项目得到了Chan Zuckerberg Initiative（CZI）的部分支持。作者感谢圣路易斯华盛顿大学材料科学与工程研究所（IMSE）使用仪器，财政支持和员工援助。

最初发表在麦凯维工程学院网站上