基于光學(xué)微腔的單顆粒光聲振動譜儀

近日，北京大學(xué)物理學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)研究所、納光電子前沿科學(xué)中心、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室肖云峰教授與龔旗煌院士領(lǐng)導(dǎo)的課題組，針對兆赫-千兆赫頻率窗口聲學(xué)振動傳感的長期挑戰(zhàn)，創(chuàng)造性地提出了介觀尺度顆粒振動測量的微腔方案，成功實(shí)現(xiàn)了不同種類微生物細(xì)胞的振動指紋譜識別。2023年7月31日，相關(guān)成果以《基于光學(xué)微腔的單顆粒光聲振動譜儀》（“Single-particle photoacoustic vibrational spectroscopy using optical microresonators”）為題，發(fā)表于《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）。

眾所周知，弦的振動在特定頻率上會顯著增強(qiáng)，這種振動屬性構(gòu)成了我們音調(diào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。事實(shí)上，不同尺度和形狀的物體都有固有的本征振動譜（見圖1a），可以應(yīng)用于推斷物體的種類、成分和形態(tài)等。舉例來說，毫赫茲頻率的星體振動通常用于研究恒星內(nèi)部結(jié)構(gòu)屬性，千赫茲頻率的晶體振蕩器則構(gòu)成了商用電子設(shè)備中的時(shí)間基準(zhǔn)，而太赫茲頻率的分子振動則被廣泛用于化學(xué)生物分子的種類識別和結(jié)構(gòu)分析。

如果將振動譜學(xué)應(yīng)用于介觀尺度，例如各種功能性顆粒以及生物細(xì)胞和病毒等，不僅可以非破壞性地獲取顆粒物的尺寸、形狀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和楊氏模量等關(guān)鍵信息，還有望推斷與生物細(xì)胞類型和生理狀態(tài)密切相關(guān)的生物力學(xué)特性。然而，現(xiàn)有技術(shù)在介觀尺度顆粒物振動譜的測量方面仍面臨重要挑戰(zhàn)。通常，這些介觀顆粒尺寸范圍在100納米到100微米之間，會在兆赫-千兆赫頻率范圍內(nèi)發(fā)生微弱地振動。當(dāng)前，拉曼和布里淵光譜技術(shù)很難探測到該頻率范圍內(nèi)微弱的顆粒振動信號；盡管壓電技術(shù)廣泛應(yīng)用于宏觀系統(tǒng)的低頻固有振動測量，但在幾兆赫茲以上的高頻區(qū)域，它的性能顯著降低。

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圖1.基于光學(xué)微腔的單顆粒振動譜儀。a, 不同尺度物體具有不同的固有頻率。b，基于光學(xué)微腔的單顆粒振動譜測量原理圖。c，典型的單顆粒振動譜

針對上述挑戰(zhàn)，課題組創(chuàng)造性地提出了介觀尺度顆粒振動測量的微腔方案，將振動譜測量范圍推進(jìn)到兆赫-千兆赫頻率窗口。該方案利用光聲效應(yīng)激發(fā)介觀尺度顆粒物的固有振動，其以聲波形式與高品質(zhì)因子微腔光學(xué)模式耦合，從而實(shí)現(xiàn)了單顆粒固有振動的超高靈敏實(shí)時(shí)檢測。具體原理如圖1b所示：當(dāng)顆粒吸收超短脈沖激光后，熱膨脹效應(yīng)導(dǎo)致顆粒內(nèi)部產(chǎn)生瞬時(shí)聲壓，寬帶地激發(fā)出顆粒固有聲學(xué)振動模式；這些振動會產(chǎn)生聲波，并在微腔腔體中傳播，進(jìn)一步與微腔光學(xué)模式發(fā)生耦合；當(dāng)探測光耦合進(jìn)入微腔時(shí)，輸出光場會受到周期性調(diào)制，攜帶了顆粒物聲學(xué)振動模式的信息。

實(shí)驗(yàn)上，課題組制備了超高品質(zhì)因子光學(xué)微腔，可以實(shí)現(xiàn)顆粒物聲學(xué)振動信息的高信噪比讀取。通過測量不同尺寸、成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的介觀尺度單顆粒的本征固有振動，顆粒物振動譜測量的微腔方案被證明具有超過50dB的超高信噪比以及超過1GHz的超大探測帶寬（圖1c）。特別地，微腔方案可以提取每個固有模式的本征頻率和線寬，獲取顆粒結(jié)構(gòu)和粘彈性等重要信息。