(PhysOrg.com) -- Een microlaser niet groter dan een speldenprik kan individuele virussen nauwkeurig detecteren en tellen, de deeltjes die wolkenvorming op gang brengen of die de lucht die we inademen vervuilen.

Een kleine donutvormige laser is het nieuwste wonder van siliciummicrominiaturisatie, maar in plaats van bits te manipuleren, detecteert het zeer kleine deeltjes. Kleine deeltjes spelen een grote - en grotendeels onopgemerkte - rol in ons dagelijks leven. Virusdeeltjes maken ons ziek, zoutdeeltjes veroorzaken wolkenvorming, en roetdeeltjes dringen diep in onze longen en maken het moeilijker om te ademen.

De sensor behoort tot een categorie die fluistergalerijresonators wordt genoemd, die werken als de beroemde fluistergalerij in St. Paul's Cathedral in Londen, waar iemand aan de ene kant van de koepel een bericht kan horen dat door iemand aan de andere kant tegen de muur wordt gesproken. In tegenstelling tot de koepel, die resonanties of sweet spots in het hoorbare bereik heeft, de sensor resoneert op lichtfrequenties.

Licht dat rond de microlaser beweegt, wordt verstoord door een deeltje dat op de ring terechtkomt, de frequentie van het licht veranderen. De ring kan de touch-down van maar liefst 800 nanodeeltjes tellen voordat de signalen verloren gaan in de ruis. Door meer dan één modus in de ring te prikkelen, wetenschappers kunnen de nauwkeurigheid van de telling dubbel controleren. En door het "versterkingsmedium" te wijzigen, ” kunnen ze de sensor aanpassen voor water in plaats van lucht.

Lan Yang, doctoraat, assistent-professor elektrische en systeemtechniek aan de Washington University in St. Louis, die het team leidt dat de nieuwe sensor heeft gefabriceerd, zegt dat er al levendige belangstelling is voor de commercialisering ervan op gebieden variërend van biologie tot aerosolwetenschap. De sensor wordt beschreven en gekarakteriseerd in de online editie van Nature Nanotechnology van 26 juni.

Fluisterende galerijresonator wordt microlaser

Een fluistergalerijresonator ondersteunt "frequentie gedegenereerde modi" (modi, of patronen van opwinding in de ring, met dezelfde frequentie, een met de klok mee en de andere tegen de klok in rond de ring.

De modusvelden hebben "vluchtige staarten" die het oppervlak van de ring binnendringen en het omringende medium onderzoeken. Wanneer een deeltje op een van de "hotspots" landt, verstrooit het energie van een van de modi in de andere, en de modi nemen enigszins verschillende resonantiefrequenties aan. Dit wordt modussplitsing genoemd.

In een eerder werk, Het Yang-team gebruikte modussplitsing in een eenvoudige glazen ring die functioneerde als een golfgeleider voor licht dat er van buitenaf in werd gekoppeld. Omdat de ring passief was, de externe laser moest een dure afstembare laser zijn, zodat hij een frequentiebereik kon scannen op zoek naar de resonanties van de ring om modussplitsing te meten. (Voor meer informatie over deze sensor zie "Kleine sensor meet nanodeeltjes.")

De nieuwe sensor verschilt van eerdere fluistergalerijresonatoren doordat het zelf een miniatuurlaser is in plaats van de resonantieholte van een externe laser.

De nieuwe sensor is ook van glas, maar glas doorspekt met atomen van de zeldzame-aarde-elementen die dienen als een "versterkingsmedium". de ring begint te laseren op zijn eigen voorkeursfrequentie.

Wanneer een deeltje op de microlaser terechtkomt, een enkele laserlijn splitst zich in twee enigszins verschillende frequenties.

Een eenvoudige manier om de frequentiesplitsing te meten, is door de gesplitste lasermodi in een fotodetector te mengen, die een "beatfrequentie" produceert die overeenkomt met het frequentieverschil.

"De kleine sensoren worden in massa geproduceerd door de sol-gel-methode op siliciumwafels, en het is gemakkelijk om van versterkingsmedium te wisselen”, zegt Lina He, een afgestudeerde student en eerste auteur van het papier. "De resonatoren worden gemaakt door de zeldzame-aarde-ionen naar keuze te mengen in een oplossing van tetraethoxysilaan, water en zoutzuur. De oplossing wordt verwarmd totdat deze viskeus wordt en vervolgens door spincoating op een siliciumwafeltje wordt aangebracht en uitgegloeid om oplosmiddelen te verwijderen en de overgang naar amorf glas te voltooien. De dunne glasfilm wordt vervolgens geëtst om siliciumschijven te maken die eronder worden ondersteund door siliciumpilaren. Als laatste stap, de ruwe silicaschijven worden door lasergloeien tot gladde ringkernen terugvloeit."

Actieve sensor presteert beter dan passieve

“Het licht dat voor detectie wordt gebruikt, wordt gegenereerd in de resonator zelf, en dus is het zuiverder dan het licht in de passieve sensor, ” zegt Yang “Als het licht niet zo puur is, u kunt kleine frequentieveranderingen mogelijk niet zien. Maar de actieve sensor raakt één frequentie – hij heeft een erg smalle lijnbreedte – en is dus veel gevoeliger.”

De microlaser is orden van grootte gevoeliger dan de passieve resonator, ze zegt. De effectieve resolutielimiet is ongeveer één nanometer. Een nanometer is een meter, wat een knikker is voor de aarde.

Bovendien, omdat de laser nu in de ring zit in plaats van eraan gekoppeld, het hele systeem is eenvoudiger en meer op zichzelf staand. “Nu heb je alleen nog een lichtbron nodig om het optische medium te prikkelen, " zegt Yang, “en daarvoor kun je een goedkope laserdiode gebruiken in plaats van een dure afstembare laser.”

Veel deeltjes detecteren

Het effect van een deeltje op een lasermodus hangt af van de "polariseerbaarheid, ” wat een functie is van de grootte en brekingsindex. Om de mogelijkheden te dekken, het team van de Washington University testte de prestaties van de microlaser met nanodeeltjes van verschillende groottes, gemaakt van verschillende materialen, inclusief polystyreen (pinda's verpakken), virions (virusdeeltjes) en goud.

Terwijl deeltjes één voor één het "modusvolume" van de microlaser binnenkomen, de wetenschappers kunnen een discrete opwaartse of neerwaartse sprong in de slagfrequentie zien. Elke discrete sprong signaleert de binding van een deeltje op de ring, en het aantal sprongen weerspiegelt het aantal deeltjes.

Omdat het "resonatorveld" de deeltjes op de resonator vasthoudt, eenmaal geland, ze vallen zelden af. Maar het team ontdekte dat ze veel deeltjes konden tellen voordat de verliezen veroorzaakt door de deeltjes de laserlijnbreedten zo breed maakten dat ze geen veranderingen in frequentiesplitsing konden detecteren vanwege de laatste aankomst.

Bijvoorbeeld, ze waren in staat om maar liefst 816 gouden nanodeeltjes te detecteren en te tellen met dezelfde lasermodus.

“Als de lijnverbreding vergelijkbaar is met de verandering in splitsing, dan ben je klaar, ' zegt Yang. “Echter, de hele resonator is op de chip gefabriceerd, dus je zou zo nodig gewoon door kunnen gaan naar de volgende resonator.”

Verdubbeling voor nauwkeurigheid

De microlaser kan meer dan één lasermodus tegelijk ondersteunen. “Door de overlap van het pomplicht met het versterkingsmedium te regelen, u kunt meer dan één laserlijn opwekken, ” zegt Sahin Kaya Ozdemir, doctoraat, een onderzoeksmedewerker en co-auteur. “Als er dan een deeltje op de ring landt, elke laserlijn wordt in tweeën gesplitst, en een slagfrequentie genereren. Je hebt dus twee beatfrequenties in plaats van één.”

Dat is een voordeel, hij legt uit, omdat de slagfrequentie gedeeltelijk afhangt van waar het deeltje op de ring terechtkomt. Als er maar één laserlijn is en het deeltje valt tussen "hotspots", wordt het mogelijk niet gedetecteerd. De tweede slagfrequentie voorkomt deze “valse negatieven, ” ervoor zorgen dat elk deeltje een detecteerbare zwevingsfrequentie produceert.

Detectie van deeltjes in water

De microlasers die bedoeld waren om deeltjes in de lucht te detecteren, waren gedoteerd met erbium, een zeldzaam aardelement waarvan de optische eigenschappen goed overeenkomen met die van lucht. In een laatste experiment om te zien of deze techniek kan worden gebruikt om deeltjes in water of bloed waar te nemen, het team fabriceerde sensoren die waren gedoteerd met ytterbium in plaats van erbium. Ytterbium lasert bij golflengten met een lage absorptie door water.

Het team van Yang is al begonnen om gebruik te maken van de verbeterde gevoeligheid van de microlaser voor het bestuderen van verschillende problemen. Op het gebied van toepassingen, "het gebruik op korte termijn zal het monitoren zijn van dynamisch gedrag van deeltjes in reactie op omgevings- en chemische veranderingen bij een resolutie van één deeltje, ' zegt Yang.

De volgende stap, het team wil het oppervlak van deze kleine microlasers ontwerpen om DNA en individuele biologische moleculen te detecteren. Als het DNA is gelabeld met gemanipuleerde nanodeeltjes, de microlasersensor kan individuele DNA-moleculen of fragmenten van moleculen tellen.

Als je naar Yang luistert, is het moeilijk om aan de indruk te ontkomen dat je voor het eerst hoort over een verbazingwekkend apparaat dat op een dag net zo alomtegenwoordig - en waarschijnlijk net zo ondergewaardeerd - zal zijn als de logische poorten in onze magnetrons, mobieltjes en auto's.