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纳米粒子“粒粒在目”

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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。
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。”
【纳米粒子“粒粒在目”】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。
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。