PRL ｜兼顾高精度和高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。该研究目前已发表于Physical Review Letters（www.doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.013901）。

AMOLF的研究人员 Said Rodriguez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。然而，在经典的检测方法中，实现高精度是以牺牲速度为代价的。这是因为，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。"

对于典型的光学探测器，其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非常小的信号，小到几乎没有超过激光产生的噪声，因此无法探测。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，由两面镜子（蓝色和绿色）相对而成。其中一个镜子上涂有非线性材料（粉红色）。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。

非线性探测方法的示意图

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。这样的系统有复杂，有时是重合的特征值。在这种情况下，理论表明在一些“例外点”上进行的测量更加敏感。

然而，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。为了解决这个问题，研究人员意识到，非线性光腔中具有光滞后现象，即具有类似于 "例外 "点的信号。

具体地，当提高激光功率时，腔体中的光强度会以某种方式增强。但是，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。这与传统测量方法中精度和速度的竞争情况形成鲜明对比。

研究人员对所提出的传感器进行了理论计算，并指出用光学谐振器设置正确的调制频率进行测量，用现有的设备是很容易做到的。下一步，研究人员希望与工业界合作，进一步探索这一想法，并将其用于光学传感。这种非线性的小信号探测方法可以应用于化学测量和纳米离子检测中。