Сенсоры на фазовой сингулярности — это сверхчувствительные оптические устройства, регистрирующие изменение показателя преломления исследуемого вещества (аналита) при помощи измерения фазы оптического излучения. Отклонения могут возникать из-за очень малых изменений концентраций вещества в среде, поэтому такие детекторы перспективны для обнаружения биомолекул, вирусов и микроорганизмов.
Фазовая сингулярность — особая точка в пространстве, где амплитуда отраженного излучения равна нулю, а фаза перестает быть определенной. Именно вблизи этой точки фаза оптического отклика меняется очень быстро, что потенциально повышает чувствительность сенсора. Однако возникает проблема: около области фазовой сингулярности интенсивность регистрируемого сигнала крайне мала, а значит, шумы могут внести большую неопределенность и практически уничтожить выигрыш в чувствительности. Поэтому ученые из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ задались вопросом: что происходит с чувствительностью и разрешением такого сенсора при наличии шумов?
Чтобы найти ответ, физтехи с коллегами разработали теоретическую модель реального эллипсометрического сенсора — оптического детектора, измеряющего изменение фазы света после отражения. Ученые хотели получить не только идеальную чувствительность сенсора, но и его поведение в реальном измерении, когда сигнал ослаблен и на него влияет дробовой шум. Статья опубликована в журнале Nanophotonics. Работа поддержана Российским научным фондом (грант № 23-72-10005).
Они разработали модель, где изменение показателя преломления исследуемой среды — аналита — вызывает изменение оптической фазы. Для создания реалистичного измерения авторы смоделировали процесс так, как он происходит в эллипсометрии: свет отражается от структуры, проходит через анализатор, а детектор регистрирует сигнал при разных положениях анализатора. Затем они учли дробовой шум, или фотонную случайность: регистрировали не непрерывный поток света, а отдельные фотоны, количество которых случайно менялось от измерения к измерению. Далее физики провели численные симуляции «экспериментов» при различных условиях: брали разной мощности источника света, рассматривали разные углы падения и изменения показателя преломления. Это позволило оценить влияние шума на работу сенсора.
Результаты показали, что сенсор на фазовой сингулярности остается устойчивым к дробовому шуму даже рядом с точкой почти нулевого отражения. Это говорит о том, что в области слабого сигнала такой детектор останется стабильным и позволит фиксировать изменения преломления.
«Мы показали, что эллипсометрический сенсор на основе фазовой сингулярности остается устойчивым к шуму даже вблизи области нулевой амплитуды. Важный вывод заключается в том, что угол падения можно использовать как удобную “ручку” для настройки разрешения сенсора: при отклонении от сингулярности улучшается разрешение сенсора, ограниченное шумом, но снижается чувствительность»,— рассказала Валерия Маслова, инженер лаборатории передовой нанофотоники и квантовых материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Разработанная модель позволила связать идеальную оптическую картину с реальным шумом детектора. Физики показали, как дробовой шум появляется на стадии регистрации фотонов и как он влияет не только на фазу, но и на итоговую чувствительность и разрешение сенсора.
Также ученые нашли рабочий компромисс между шумовым пределом разрешения и пределом, связанным с чувствительностью. При малом отклонении от сингулярности сенсор очень чувствителен, но сильнее страдает от дробового шума. При большем отклонении шум меньше, но падает чувствительность.
«Мы обнаружили оптимальный режим, где ограничения по шуму и чувствительности уравновешиваются. Неочевидным результатом стало то, что небольшое отклонение от точной сингулярности способно улучшить работу сенсора. Интуитивно хочется подобраться к сингулярности как можно ближе, чтобы улучшить чувствительность, но в реальности небольшая отстройка от точки с фазовой сингулярностью делает сенсор более устойчивым к шуму с сохранением высокой чувствительности»,— отметил Денис Баранов, заведующий лабораторией передовой нанофотоники и квантовых материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Это исследование приближает идею сверхчувствительных оптических сенсоров на фазовых сингулярностях к созданию реальных устройств. Практически это означает: такие сенсоры потенциально можно использовать для обнаружения очень малых изменений состава среды, например следовых количеств веществ, биомолекул, вирусов или других микроскопических объектов.Так как система может работать даже при сравнительно низкой мощности источника света, это открывает возможности к разработке компактных и носимых датчиков.
«Следующий шаг — проверка результатов нашей теоретической модели на реальном эллипсометре с реальной физической системой. Хотелось бы понять, насколько большие отклонения требуются от точки фазовой сингулярности в реальности и как сильно предложенный нами подход улучшает разрешение сенсора», — поделился Денис Баранов.