多共振非色散红外气体传感：打破选择性与灵敏度的权衡
介观与纳米尺度物理
2026-01-12 v1
摘要
在温室气体和污染物的大气监测等应用中，痕量有害气体的检测与识别通常使用非色散红外 (NDIR) 传感器来实现。这些器件采用宽带红外发射器、热电堆探测器以及一个调谐至目标分析物振动共振频率的光谱选择性带通滤光片。然而，这些滤光片的制造昂贵且仅限于单一频率。这一限制引入了一个根本性的权衡：展宽光学通带宽度会增强灵敏度但损害选择性，而收窄通带宽度则提高选择性但牺牲灵敏度。在这项工作中，我们验证了一种使用通过逆向设计开发的多峰热发射器的无滤光片NDIR方法。该发射器通过靶向多个吸收带来增强检测灵敏度，并通过一个为丙烷的C-H振动模式设计的传感器进行了演示。此外，还开发了一组单峰发射器，以展示设计在光谱上紧密相邻、具有高选择性传感器的能力。这些针对一氧化碳和二氧化碳伸缩模式的发射器，展现出超过50的Q因子和极小的串扰，能够准确检测目标气体而不受光谱相邻吸收带气体的干扰。这是通过实现非周期分布式布拉格反射器实现的，该反射器在使用相同材料和层数的情况下，比周期性布拉格反射器能以更少的层数获得更高的Q因子，从而降低了制造复杂性和成本。实验结果验证了这种方法打破了灵敏度与选择性之间的权衡。这项工作凸显了优化热发射器在更高效、更紧凑的气体传感应用中的潜力。
引用
@article{arxiv.2601.05436,
title = {Multi-resonant non-dispersive infrared gas sensing: breaking the selectivity and sensitivity tradeoff},
author = {Emma R. Bartelsen and J. Ryan Nolen and Christopher R. Gubbin and Mingze He and Ryan W. Spangler and Joshua Nordlander and Katja Diaz-Granados and Simone De Liberato and Jon-Paul Maria and James R. McBride and Joshua D. Caldwell},
journal= {arXiv preprint arXiv:2601.05436},
year = {2026}
}