大多數(shù)工程師都熟悉需要測(cè)量的基本物理參數(shù)，如溫度、壓力、位置、速度和距離等。但還有其他關(guān)鍵參數(shù)也是非常重要的。其中的一個(gè)例子就是光折射率（RI）的測(cè)量，這也是許多液體加工工藝的一部分，如啤酒釀造、葡萄酒發(fā)酵、蜂蜜中含水量的評(píng)估以及烴蒸餾等。甚至在醫(yī)學(xué)上也有用途，因?yàn)榘┘?xì)胞或異常細(xì)胞的RI值比正常細(xì)胞略高。

問題在于，即使是如硬幣般大小的小型化RI傳感器也比許多應(yīng)用大。這也正是密西根大學(xué)團(tuán)隊(duì)希望通過使用由光源激發(fā)的納米線的激光發(fā)射來改變的難題。該團(tuán)隊(duì)在題為“基于半導(dǎo)體納米線激光器的折射率感測(cè)”的論文中，詳細(xì)描述了團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的研究。

在該研究中，將直徑為204nm、長(zhǎng)度為15μm的硫化鎘（CdS）線作為光學(xué)腔的核心設(shè)計(jì)（圖1）。納米線的高折射率使入射光在端面具有高反射率因子，并通過納米線進(jìn)行引導(dǎo)。這種設(shè)置形成了法布里-伯羅空腔，當(dāng)它被外部光源激發(fā)時(shí)，也會(huì)形成激光作用。這樣形成的激光波長(zhǎng)取決于其周圍的折射率。通過測(cè)量激光輸出的波長(zhǎng)，可以確定浸入納米線的液體的折射率。

制造過程使用了類似半導(dǎo)體的工藝，其中硫化鎘（CdS）納米線（折射率n = 2.67）生長(zhǎng)在使用了化學(xué)氣相傳輸法的硅晶片襯底上。之后將納米線直接沉積在硅玻璃罩上，然后將其暴露于低壓等離子體中。這種等離子體處理是用來確保將納米線固定在玻璃表面，從而用于液體環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)。

在試驗(yàn)中，將納米線浸入乙醇和甲苯的體積比為10：0、9：1、8：2和7：3的混合溶液中，相當(dāng)于折射率分別為1.365、1.39、1.339和1.407。通過脈沖光學(xué)參量振蕩器（5納秒脈沖寬度，20赫茲重復(fù)頻率，479納米波長(zhǎng)）對(duì)該納米線進(jìn)行激發(fā)。然后使用焦點(diǎn)尺寸為60μm的50×物鏡對(duì)泵浦光束進(jìn)行聚焦。圖2顯示了每個(gè)折射率的所得激光光譜，全部使用了4μJ/ mm 2的相同激發(fā)能量密度。

測(cè)試結(jié)果也表明波長(zhǎng)效應(yīng)同樣非常敏感。例如，當(dāng)折射率從1.365增加到1.407時(shí)，出現(xiàn)了從504.35nm到505.23nm的明顯可測(cè)量的紅移現(xiàn)象。

基于激光峰值的0.22nm線寬和其他因素對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析顯示，該設(shè)計(jì)的總體品質(zhì)因數(shù)（FOM）為96。

該半導(dǎo)體納米線傳感器不僅是最近公布的使用諧振散射方法實(shí)現(xiàn)結(jié)果的24倍提升，而且其制造復(fù)雜度較低。它可以內(nèi)化到活細(xì)胞中，并感測(cè)各部分的折射率。