光学传感器是许多科学和技术努力的支柱,从探测重力波到成像生物组织用于医学诊断。这些传感器利用光线来检测它们所监测的环境的特性的变化,包括化学生物标记物和物理特性如温度。在光学感知方面,一个持续的挑战是提高在噪声中探测微弱信号的灵敏度。
圣路易斯华盛顿大学McKelvey工程学院Preston M.Green电气与系统工程系Edwin H.&Florence G.Skinner教授Lan Yang的新研究揭示了特殊点(EP)在高级光学传感中的力量。在4月5日发表在《科学进展》杂志上的一项研究中，杨和第一作者、杨实验室的博士生毛文波表明，这些独特的EP——可能发生异常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。
杨和毛开发了一种EP增强传感平台，克服了以前方法的局限性。与需要修改传感器本身的传统方法不同，他们的创新系统具有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修改。
杨说：“我们已经实现了一个新的平台，可以为传统的光学传感器提供EP增强。该系统代表了EP增强传感的革命性扩展，显著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该配置来获得更高的灵敏度和更低的检测极限。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。”
通过将传感和控制功能解耦，杨和毛有效地避开了在EP中操作传感器的严格物理要求，这些要求迄今为止阻碍了传感器的广泛采用。这为EP增强应用于广泛的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，大大提高了科学家已经使用的传感器的检测极限。当控制单元设置为EP时，传感器可以以不同的方式工作——而不是在EP下——并且仍然可以获得EP增强的好处。
作为概念验证，杨的团队测试了系统的检测极限，即检测系统噪声上的弱扰动的能力。与传统传感器相比，他们证明了使用EP增强配置的传感器的检测极限降低了六倍。
毛说：“通过这项工作，我们已经表明，我们可以显著提高检测弱信号扰动的能力。我们现在专注于将这一理论广泛应用。我特别专注于医学应用，尤其是增强磁感应，这可以用来改进MRI技术。目前，MRI需要一整个房间，并仔细控制温度。我们的EP平台可以用来增强磁感测，从而实现便携式床边MRI。”
