La même bizarrerie géométrique qui permet aux visiteurs de murmurer des messages autour du dôme circulaire de la galerie des chuchotements de la cathédrale Saint-Paul de Londres ou de l’autre côté de l’arche des chuchotements de la gare Union de Saint-Louis permet également la construction de capteurs optiques haute résolution. Les résonateurs en mode Whispering-Gallery (WGM) sont utilisés depuis des décennies pour détecter des signatures chimiques, des brins d’ADN et même des molécules uniques.
De la même manière que l’architecture d’une galerie chuchotante courbe et concentre les ondes sonores, les microrésonateurs WGM confinent et concentrent la lumière dans un minuscule chemin circulaire. Cela permet aux résonateurs WGM de détecter et de quantifier les caractéristiques physiques et biochimiques, ce qui les rend idéaux pour les applications de détection à haute résolution dans des domaines tels que le diagnostic biomédical et la surveillance environnementale.
Cependant, l’utilisation généralisée des résonateurs WGM a été limitée par leur plage dynamique étroite ainsi que par leur résolution et leur précision limitées.
Dans une étude récente publié dans la revue Transactions IEEE sur l’instrumentation et la mesureLan Yang, professeur Edwin H. & Florence G. Skinner, et Jie Liao, associé de recherche postdoctoral, tous deux au département Preston M. Green d’ingénierie électrique et des systèmes de la McKelvey School of Engineering de l’Université de Washington à St. Louis. , démontrent une approche transformatrice pour surmonter ces limites : codes-barres optiques WGM pour la détection multimode.
La technique innovante de Liao et Yang permet la surveillance simultanée de plusieurs modes de résonance au sein d’un seul résonateur WGM, en tenant compte des réponses distinctes de chaque mode, élargissant ainsi considérablement la plage de mesures réalisables.
La détection WGM utilise une longueur d’onde spécifique de lumière qui peut circuler des millions de fois autour du périmètre du microrésonateur. Lorsque le capteur rencontre une molécule, la fréquence de résonance de la lumière en circulation change. Les chercheurs peuvent ensuite mesurer ce changement pour détecter et identifier la présence de molécules spécifiques.
« La détection multimode nous permet de détecter plusieurs changements de résonance de longueur d’onde, plutôt qu’un seul », a expliqué Liao. « Avec plusieurs modes, nous pouvons étendre la détection optique WGM à une plus grande gamme de longueurs d’onde, obtenir une résolution et une précision supérieures et, à terme, détecter davantage de particules. »
Liao et Yang ont trouvé la limite théorique de la détection WGM et l’ont utilisée pour estimer les capacités de détection d’un système multimode. Ils ont comparé la détection monomode conventionnelle avec la détection multimode et ont déterminé que même si la détection monomode est limitée à une plage très étroite (environ 20 picomètres (pm), limitée par le matériel laser), la portée de la détection multimode est potentiellement illimitée en utilisant la même configuration.
« Plus de résonance signifie plus d’informations », a déclaré Liao. « Nous avons dérivé une plage théoriquement infinie, même si nous sommes pratiquement limités par l’appareil de détection. Dans cette étude, la limite expérimentale que nous avons trouvée était environ 350 fois plus grande avec la nouvelle méthode qu’avec la méthode conventionnelle de détection WGM. »
Les applications commerciales de la détection multimode WGM pourraient inclure des utilisations biomédicales, chimiques et environnementales, a déclaré Yang. Dans les applications biomédicales, par exemple, les chercheurs pourraient détecter des changements subtils dans les interactions moléculaires avec une sensibilité sans précédent afin d’améliorer le diagnostic des maladies et la découverte de médicaments.
Dans le domaine de la surveillance environnementale, avec la capacité de détecter des changements infimes dans les paramètres environnementaux tels que la température et la pression, la détection multimode pourrait permettre des systèmes d’alerte précoce en cas de catastrophe naturelle ou faciliter la surveillance des niveaux de pollution de l’air et de l’eau.
Cette nouvelle technologie permet également une surveillance continue des réactions chimiques, comme l’ont démontré les expériences récentes menées par le groupe de Yang. Cette capacité est prometteuse pour l’analyse et le contrôle en temps réel des processus chimiques, offrant des applications potentielles dans des domaines tels que les produits pharmaceutiques, la science des matériaux et l’industrie alimentaire.
« La sensibilité ultra-élevée des résonateurs WGM nous permet de détecter des particules et des ions uniques, mais le potentiel de cette technologie puissante n’a pas été pleinement exploité car nous ne pouvons pas utiliser directement ce capteur ultrasensible pour mesurer une inconnue totale », a ajouté Liao.
« La détection multimode permet d’explorer l’inconnu. En élargissant notre plage dynamique pour observer des millions de particules, nous pouvons entreprendre des projets plus ambitieux et résoudre des problèmes du monde réel. »
Plus d’information:
Jie Liao et al, Détection multimode par codes-barres optiques en mode galerie-chuchotement : une nouvelle voie pour étendre la plage dynamique pour les mesures haute résolution, Transactions IEEE sur l’instrumentation et la mesure (2024). DOI : 10.1109/TIM.2024.3352712