وجد فيزيائيون من روسيا طريقة لزيادة مقاومة أجهزة الاستشعار الضوئية للضوضاء الخفيفة

أجهزة استشعار تفرد الطور هي أجهزة بصرية حساسة للغاية تسجل التغيرات في معامل انكسار المادة قيد الدراسة (الحليلة) عن طريق قياس مرحلة الإشعاع البصري. يمكن أن تنشأ الانحرافات نتيجة لتغيرات صغيرة جدًا في تركيز المادة في البيئة، لذا فإن أجهزة الكشف هذه تعد واعدة للكشف عن الجزيئات الحيوية والفيروسات والكائنات الحية الدقيقة. تفرد الطور هو نقطة خاصة في الفضاء حيث تكون سعة الإشعاع المنعكس صفرًا ويتوقف تعريف الطور. بالقرب من هذه النقطة تتغير مرحلة الاستجابة البصرية بسرعة كبيرة، مما قد يؤدي إلى زيادة حساسية المستشعر. ومع ذلك، تنشأ مشكلة: بالقرب من منطقة تفرد الطور، تكون شدة الإشارة المسجلة منخفضة للغاية، مما يعني أن الضوضاء يمكن أن تسبب قدرًا كبيرًا من عدم اليقين وتدمر عمليًا كسب الحساسية. لذلك، طرح علماء من مركز MIPT للضوئيات والمواد ثنائية الأبعاد السؤال التالي: ماذا يحدث لحساسية ودقة مثل هذا المستشعر في وجود الضوضاء؟ للعثور على الإجابة، طور علماء الفيزياء وزملاؤه نموذجًا نظريًا لمستشعر قياس إهليلجي حقيقي – وهو كاشف بصري يقيس التغير في مرحلة الضوء بعد الانعكاس. أراد العلماء الحصول ليس فقط على الحساسية المثالية للمستشعر، ولكن أيضًا على سلوكه في القياسات الحقيقية عندما يتم إضعاف الإشارة وتأثرها بضوضاء الطلقة. تم نشر المقال في مجلة Nanophotonics. تم دعم العمل من قبل مؤسسة العلوم الروسية (المنحة رقم 23-72-10005). لقد طوروا نموذجًا حيث يؤدي التغير في معامل الانكسار للوسط قيد الدراسة – الحليلة – إلى حدوث تغيير في الطور البصري. ولإنشاء قياس واقعي، قام الباحثون بمحاكاة العملية كما تحدث في القياس الإهليلجي: ينعكس الضوء من الهيكل، ويمر عبر المحلل، ويسجل الكاشف الإشارة في مواضع مختلفة من المحلل. ثم أخذوا في الاعتبار ضجيج الطلقة، أو عشوائية الفوتون: فلم يسجلوا تدفقًا مستمرًا من الضوء، بل فوتونات فردية، يختلف عددها بشكل عشوائي من قياس إلى قياس. بعد ذلك، أجرى الفيزيائيون عمليات محاكاة عددية «للتجارب» في ظل ظروف مختلفة: فقد أخذوا مصادر طاقة مختلفة للضوء، مع الأخذ في الاعتبار زوايا سقوط مختلفة وتغيرات في معامل الانكسار. هذا جعل من الممكن تقييم تأثير الضوضاء على تشغيل المستشعر. أظهرت النتائج أن مستشعر تفرد الطور يظل قويًا في إطلاق الضوضاء حتى بالقرب من نقطة الانعكاس القريبة من الصفر. يشير هذا إلى أنه في منطقة الإشارة الضعيفة، سيظل هذا الكاشف مستقرًا وسيسمح بتسجيل التغييرات في الانكسار. “لقد أظهرنا أن مستشعر القياس الإهليلجي القائم على تفرد الطور يظل قويًا في مواجهة الضوضاء حتى بالقرب من منطقة السعة الصفرية. وقالت فاليريا ماسلوفا، مهندسة في مختبر الضوئيات النانوية المتقدمة والمواد الكمومية في مركز الضوئيات النانوية المتقدمة والمواد الكمومية في مركز الضوئيات النانوية المتقدمة: “لقد أظهرنا أن مستشعر القياس الإهليلجي القائم على تفرد الطور يظل قويًا في مواجهة الضوضاء حتى بالقرب من منطقة السعة الصفرية. والاستنتاج المهم هو أنه يمكن استخدام زاوية السقوط باعتبارها “مقبضًا” مناسبًا لضبط دقة المستشعر: عند الانحراف عن التفرد، تتحسن دقة المستشعر، المحدودة بالضوضاء، ولكن الحساسية تنخفض”. المواد ثنائية الأبعاد في MIPT. النموذج المطور جعل من الممكن ربط الصورة البصرية المثالية بالضوضاء الحقيقية للكاشف. لقد أظهر الفيزيائيون كيف تظهر ضوضاء الطلقة في مرحلة اكتشاف الفوتون وكيف تؤثر ليس فقط على الطور، ولكن أيضًا على الحساسية النهائية ودقة المستشعر. وجد العلماء أيضًا حلاً وسطًا بين حد دقة الضوضاء وحد الحساسية. بالنسبة للانحرافات الصغيرة عن التفرد، يكون المستشعر حساسًا للغاية، ولكنه يعاني أكثر من ضوضاء الطلقات. مع انحراف أكبر، الضوضاء أقل، ولكن تنخفض الحساسية. “لقد اكتشفنا الوضع الأمثل حيث يتم موازنة حدود الضوضاء والحساسية. وكانت النتيجة غير الواضحة هي أن انحرافًا بسيطًا عن التفرد الدقيق يمكن أن يحسن أداء المستشعر. بشكل بديهي، تريد الاقتراب قدر الإمكان من التفرد من أجل تحسين الحساسية، ولكن في الواقع، فإن التفكيك الصغير من النقطة مع تفرد الطور يجعل المستشعر أكثر مقاومة للضوضاء مع الحفاظ على حساسية عالية،” أشار دينيس بارانوف، رئيس مختبر الضوئيات النانوية المتقدمة والمواد الكمومية. في مركز الضوئيات والمواد ثنائية الأبعاد في MIPT. يجعل هذا البحث فكرة وجود أجهزة استشعار بصرية فائقة الحساسية عند تفردات الطور أقرب إلى إنشاء أجهزة حقيقية. ومن الناحية العملية، يعني هذا أنه يمكن استخدام أجهزة الاستشعار هذه للكشف عن التغيرات الصغيرة جدًا في تكوين البيئة، مثل كميات ضئيلة من المواد أو الجزيئات الحيوية أو الفيروسات أو غيرها من الأجسام المجهرية. وبما أن النظام يمكن أن يعمل حتى مع مصدر طاقة منخفض نسبيًا، فإن هذا يفتح إمكانية تطوير أجهزة استشعار مدمجة وقابلة للارتداء. “الخطوة التالية هي اختبار نتائج نموذجنا النظري على مقياس القطع الناقص الحقيقي مع نظام فيزيائي حقيقي. أود أن أفهم مدى الحاجة إلى انحرافات كبيرة عن نقطة تفرد الطور في الواقع ومدى تحسين نهجنا المقترح لدقة المستشعر،” شارك دينيس بارانوف.