Физики из МФТИ нашли способ защитить оптические сенсоры от светового шума

Оптические сенсоры на фазовых сингулярностях — это устройства, способные улавливать ничтожные изменения показателя преломления исследуемого вещества (аналита). Они работают за счет измерения фазы отраженного света: в точке фазовой сингулярности амплитуда отраженного излучения падает до нуля, а фаза изменяется скачкообразно, что потенциально дает огромную чувствительность. Однако именно в этой области интенсивность сигнала минимальна, и шумы, особенно дробовый (вызванный случайным числом регистрируемых фотонов), могут свести на нет преимущество.

Теоретическая модель и численные симуляции

Ученые из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ совместно со специалистами ВНИИА им. Н. Л. Духова и коллегами из ОАЭ разработали теоретическую модель эллипсометрического сенсора. В такой схеме свет отражается от образца, проходит через анализатор, а детектор регистрирует сигнал при разных углах поворота анализатора. В модель был включен дробовый шум, возникающий из-за квантовой природы света.

Физики провели серию численных симуляций, варьируя мощность источника, угол падения и изменение показателя преломления. Это позволило оценить, как шум влияет на основные характеристики сенсора — чувствительность и разрешение. Оказалось, что даже в точке почти нулевого отражения сенсор остается стабильным.

Баланс между чувствительностью и шумом

«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, ограниченное шумом, но снижается чувствительность», — рассказала Валерия Маслова, инженер лаборатории передовой нанофотоники и квантовых материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.

Исследователи обнаружили, что существует оптимальный режим, где ограничения по шуму и чувствительности уравновешиваются. Неочевидный результат: небольшая отстройка от точной сингулярности улучшает работу сенсора, делая его более устойчивым к шуму при сохранении высокой чувствительности. Как отметил Денис Баранов, заведующий лабораторией, «интуитивно хочется подобраться к сингулярности как можно ближе, но в реальности небольшая отстройка от точки с фазовой сингулярностью делает сенсор более устойчивым к шуму с сохранением высокой чувствительности».

Практические перспективы

Разработанная модель впервые связала идеальную оптическую картину с реальным шумом детектора и показала, как дробовый шов влияет на фазу, чувствительность и разрешение. Это приближает создание реальных сверхчувствительных оптических сенсоров на фазовых сингулярностях. Такие устройства смогут обнаруживать сверхмалые изменения состава среды — следовые количества веществ, биомолекул, вирусов и микроорганизмов. Возможность работы при низкой мощности источника открывает путь к компактным и носимым датчикам.

Следующий шаг — экспериментальная проверка модели на реальном эллипсометре. «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.