科技动态：兼顾精度和速度的非线性光学传感器

荷兰AMOLF研究中心提出了一种新的小信号光学测量方法，能够在使用光学系统进行探测时减少噪声的影响，新方法基于一个单模克尔—非线性谐振器，用于在噪声环境中进行传感。

AMOLF的研究人员SaidRodriguez表示，在测量中有时精度是较重要的考虑因素，高精度能够减少系统状态的不确定性，有时探测速度也非常重要。

在经典的检测方法中实现高精度是以牺牲速度为代价的，因为当测量的时间越长收集的信息就越多，从而获得的系统状态就越精确。

典型的光学探测器基于一个谐振器或一个空腔，当一个分子扰动谐振器时会提供一个无法监测到的几乎不超过激光产生的噪声信号。

非线性光学传感器的性能比线性传感器高，下图给出了非线性探测方法的示意图。图中包括一个光腔，由蓝色、绿色两面镜子相对而成，中间粉色镜子上涂有非线性材料。

图1：非线性探测方法的示意图

在探测中通过向该空腔发送激光，并以高频率调制光强度可以检测到空腔存在的扰动，这种传感方法在进行快速测量和避免过度平均化时效果最好。

研究人员从发生在开放的量子系统中的物理现象得到启发，如测量分子或病毒存在的光学谐振器，这样的系统有时是重合的特征值，理论表明在一些例外点上进行的测量更加敏感。

在实验中信号和噪声在这些例外点都得到了增强，再加上确定例外点确切位置的复杂性和困难性使得探测过程更加复杂。研究人员认为非线性光腔中具有光滞后现象。

当提高激光功率时腔体中的光强度会以某种方式增强，当降低激光功率时光强度以不同的方式离开腔。

这导致了磁滞现象，类似于某些材料在被施加磁场时的磁化现象。实验表明滞后现象开始和结束之间的光强度差异与谐振器干扰信号的平方根成正比。

测量的这个信号为差分信号，其对小的扰动非常敏感。而且随着测量速度的加快，噪声的影响变得更小。下一步研究人员希望与工业界合作将其用于光学传感，如化学测量和纳米离子检测中。