Создан сверхточный лазерный вибрационный датчик

Вибрационный сенсор нового поколения, разработанный в Федеральной политехнической школе Лозанны (Швейцария), объединил лазерные и механические компоненты, показав чувствительность, которая может перевернуть ситуацию в целом ряде областей, включая атомно-силовую микроскопию.

Резонаторы, улавливающие бесконечно слабые колебания в атмосфере, существуют давно. Если в общем, это микроскопическая нить, которая при контакте с частицей или молекулой газа начинает колебаться. В зависимости от конкретной молекулы, с которой произошло взаимодействие, вибрация резонаторной нити будет разной, благодаря чему устройство можно применять даже для анализа состава атмосферы. Однако такого рода резонаторы сложны, недёшевы и всё ещё имеют проблемы с уровнем чувствительности.

Сам сенсор очень невелик, а его основная часть — это нить (выделена синей рамкой), натянутая рядом со стеклянным диском. (Здесь и ниже иллюстрации E. Gavartin et al.)

Чем меньше размеры струны резонатора, тем чувствительнее она к вибрациям. Впрочем, далеко не все детали традиционных резонаторов столь же эффективно работают в случае миниатюризации. Созданный швейцарскими инженерами образец использует новый метод снятия показаний со струны при помощи лазерного луча, направленного на крохотный стеклянный диск, к которому прикреплена нить длиной в несколько сот нанометров. Лазерный луч, попадая на стеклянный диск, циркулирует по нему примерно 1 000 раз за 2 наносекунды и затем покидает его. Нить же находится строго над той линией, по которой проходит исходящий поток фотонов. Вибрируя, она возмущает луч. Сравнивая длину волн лазера в момент, когда он достигает диска, и тогда, когда покидает его, учёные получают весьма точные данные о колебании нити.

Главным ограничением точности в обычном резонаторе является броуновское движение, вызывающее случайные вибрации в нити, которые усиливаются с любым внешним воздействием и затухают лишь через некоторое время. Чтобы избежать его, обычно резонаторы охлаждают жидким гелием, поскольку броуновское движение тем интенсивнее, чем выше температура. Однако такие резонаторы нуждаются в громоздких, сложных и дорогих системах охлаждения, отчего не слишком практичны. Лазер же, считывающий информацию о состоянии нити, передает её обрабатывающей микросхеме, которая модулирует излучение второго лазера: его воздействие на нить полностью гасит броуновское движение.

Принципиальная схема нового сенсора.

В результате безо всякого гелиевого охлаждения удалось получить прибор, работающий эффективно при температуре в 20 ˚C. Уровень чувствительности новинки необычайно высок. «Если бы вместо нити мы имели 100-метровый мост, то могли бы, при соблюдении пропорций, измерить колебания моста от деформаций до 1 нм (1/10 000 толщины волоса), причём в реальном времени», — замечает Пьер Верло, один из авторов прибора.

Вся система интегрирована на одной кремниевой микросхеме, что делает её предельно миниатюрной и мобильной. Её можно использовать не только для сверхчувствительного мониторинга вибраций, но также в атомно-силовой микроскопии нового поколения и при анализе состава газовых сред в режиме «здесь и сейчас».

Работа, описывающая новый тип устройств, опубликована в журнале Nature Nanotechnology.

Подготовлено по материалам Федеральной политехнической школы Лозанны.