Ученые нашли метод повышения эффективности оптических сенсоров
Метод повышения чувствительности диэлектрических сенсоров до максимально возможных значений предложили ученые ФИЦ «Красноярский научный центр» СО РАН (КНЦ СО РАН), Сибирского федерального университета и Национального исследовательского университета ИТМО, сообщает 23 мая пресс-служба КНЦ СО РАН.
Математическое моделирование позволило определить, что повышения до максимальных значений эффективности и чувствительности оптических диэлектрических сенсорных устройств, основанных на взаимодействии света и вещества на наноуровне, можно добиться изменением структуры чувствительного элемента детектора.
Это дает возможность широкого применения таких сенсоров в медицине для обнаружения малых концентраций белков, метаболитов и лекарственных препаратов, так в настоящее время основным недостатком существующих прототипов этих сенсоров является их недостаточная чувствительность.
Способ, который предложили исследователи для повышения чувствительности диэлектрического сенсора до максимальных значений, заключается в изменении структуры его чувствительного элемента, который представляет собой наноструктурированную дифракционную решетку.
Работа диэлектрического сенсора основана на изменении оптических свойств чувствительного элемента, которое позволяет оценить диэлектрическую проницаемость среды.
Жидкость протекает через сенсор, и при попадании находящегося в ней вещества на чувствительный элемент детектора изменяются его оптические свойства. Смещение спектральных линий позволяет определить, какое вещество находится в жидкости.
Проведенные исследователями расчеты подсказали метод оптимизации конструкции сенсора для получения максимальных значений чувствительности диэлектрического датчика: высокая чувствительность сенсора достигается, когда детектируемое вещество точно попадает в рабочую область сенсора.
В качестве чувствительного элемента сенсора применяется диэлектрическая дифракционная решетка. Попадание на нее жидкости с веществом приводит к изменению показателя преломления, спектральных характеристик и, соответственно, оптического сигнала сенсора.
Чтобы добиться лучшего перекрытия электромагнитного поля оптического резонанса с исследуемой жидкостью, ученые предложили изменить геометрию дифракционной решетки, что позволяет получить верхний теоретический предел чувствительности. Модель показала, что максимальная чувствительность достигается независимо от диэлектрика, из которого состоит система.
Кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института физики им. Л.В Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН Дмитрий Максимов пояснил: «Оптические диэлектрические сенсоры — это достаточно новая технология. Мы рассмотрели чувствительность сенсора и предложили путь для достижения максимальной эффективности. Если мы меняем параметр нашей системы, а именно геометрию дифракционной решетки, то добиваемся того, что оптическое поле лучше проходит через искомое вещество. Чем глубже оно туда проникает, тем сенсор становится более чувствительным к изменению оптических свойств».
Так как максимальная чувствительность может быть достигнута независимо от материала решетки, это дает свободу выбора диэлектрика, используемого в изготовлении сенсора. Для получения максимальной чувствительности необходимо только изменить геометрические параметры решетки, такие как глубина и период. Также важно, что датчики можно настраивать на любую желаемую длину волны.
Результаты исследования были опубликованы в статье журнала Physical review A.
