基于天然锗的长波红外高质量微谐振器

如果有一种小工具可以在短时间内检查您是否患有COVID或流感，或者它甚至可以在您不知情的情况下发现您患有糖尿病，那会怎么样?该设备可以解决所有这些问题，而无需您去看医生或去实验室。

这项技术可能会在几年内成为现实，而电气工程师就是其中一些人，他们使制造此类小工具成为可能，其中包含一个称为回音壁模式微谐振器的关键组件。

新技术正在提供更好的光学传感器，这对电子产品很重要，包括使用光分析化学物质的设备。

“我们已经为长波红外光谱构建了损耗最低的回音壁模式微谐振器。由于长波红外光谱提供了有关化学物质的明确信息，因此它为传感应用提供了新的可能性，”挪威科技大学科学系研究员DingdingRen说。电子系统。

任和他的同事们开发了一种新的回音壁模式微谐振器——它可以在共振中更长时间地存储特定波长的光。

“我们的微谐振器比以前用于长波红外光谱的微谐振器好大约100倍，”Ren说。

“它可以比以前的版本保留100倍的光，从而放大内部的光场并使非线性过程变得更加容易，例如频率梳生成，”他说。

任和他的同事为开发一整套制造微谐振器的纳米加工工艺做出了贡献。他们的结果最近发表在NatureCommunications上。

打开巨大的机会

更有效地在光谱的红外部分存储光波对于几种新技术来说是个好消息，特别是对于粒子传感和光谱化学识别，它们分析气体或液体样本以检查病毒和细菌以及您可能会遇到的其他有害物质有。

新的微谐振器意味着科学家可以使用这些设备在长波红外光谱中开发宽带频率梳。那些可能是什么?

频率梳是激光，其频谱由一系列离散的、等间距的频率线组成。这些可以在不同的地方找到，例如在您的GPS中、在原子钟中以及在电话和计算机中使用的光纤设备中。如果在长波红外光谱中可以使用宽带频率梳，该技术还为同时分析多种化学物质打开了大门。

“在长波红外光谱测量方面，该技术仍处于初级阶段。但我们的改进使我们有可能在不久的将来实时识别几种不同的化学物质，”任说。

这种光谱仪已经存在，但它们又大又贵，只有医院和预算大的机构才能买得起。其他稍微简单一些的机器可能能够分析几种化学物质，但不能同时分析多种化学物质——这与新技术所能实现的不同。

任正非与美国圣母大学的DavidBurghoff教授及其同事密切合作。

“这个领域的竞争非常激烈，”任说。

新的微谐振器是用元素锗制成的。这种材料听起来可能很奇特，但早在1947年硅占领该市场之前，它就被用于世界上第一个晶体管。

今天，锗经常用于传感器和红外相机的光学镜头，因此它既不特别稀有也不昂贵。当理论要推向市场时，这些也是优势。

到底什么是微谐振器?

微谐振器是一种光学腔，可以在非常小的体积内存储光场。它们可以制成赛道或圆盘几何形状，但它们的尺寸通常是微型的，类似于头发的粗细。光在微谐振器内以圆形传播，因此光场被放大。

“我们可以将微谐振器与伦敦圣保罗大教堂的回音廊中发生的声音进行比较，”Ren说。

这个椭圆形的画廊产生了一个著名的现象。你可以在它的一端耳语，房间另一端的人可以听到你的声音，即使他们在那个距离通常听不到你的声音。声波被房间和墙壁的形状放大，这就是光波在微谐振器中的行为方式。

“我们承诺我们会开发出更好的微谐振器，我们已经成功了，”任说。

NTNU电子系统系的两位教授Bjørn-OveFimland和AstridAksnes在此过程中提供了建议。

“事实上，我们现在可以在光谱的长波红外范围(8-14µm，或微米)内进行测量，这为成像和检测、环境监测和生物医学应用方面的使用开辟了许多可能性，”Aksnes说。

“许多分子在中波红外范围(2-20µm)中具有基本振动带，即所谓的‘分子指纹区域’。通过在此波范围内进行测量，我们获得了更高的灵敏度，”她说。