中红外超表面的成像和检测原理及应用进展

MEMS 2022-07-15 00:00 1500浏览 0评论 0点赞

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中红外波段包含两个大气窗口及分子指纹区，在红外成像与物质检测方面具有重要应用。传统中红外光学器件在成像方面受材料、加工等限制成本昂贵、加工复杂；在检测方面，受分子吸收截面小的限制，检测灵敏度低，对微量化学物质检测具有较大挑战。

超表面是由亚波长尺度的人造单元构成的二维结构阵列，具有体积小、易集成、调控自由度高等特点，能够为制造低成本、轻型化、集成化的中红外光学器件提供一种新的实现方案。表面增强红外吸收能够有效增强分子振动信号，提高检测灵敏度。

据麦姆斯咨询报道，近期，浙江大学马耀光研究员课题组在《红外与激光工程》期刊上发表了以“中红外超表面的成像和检测原理及应用进展”为主题的综述文章。马耀光研究员主要从事介观尺度上光与物质相互作用的机理、效应，及其在宏观系统中的应用方面的研究工作。

这项研究介绍了中红外超表面在电磁波调控方面的机理及其中红外检测应用的原理。着重整理了超表面结构在中红外波段的成像与检测领域的研究进展，包括偏振成像、可调及可重构超表面、其他特殊功能以及用于检测的基于等离子体激元或连续体束缚态原理的使用金、银、铝、石墨烯、硅、锗等材料的超表面结构。

超表面在中红外成像的基本原理主要为局域表面等离激元共振、惠更斯原理、传播相位和贝里相位，利用这些原理可以对电磁波的相位、振幅、偏振等进行调控，从而实现透镜成像、偏振控制、涡旋光束生成等功能。

基于不同电磁波调控原理的中红外超表面结构

中红外超表面光谱检测主要基于表面增强红外吸收原理，使用等离子体平台实现对分子振动信号的显著增强，在红外光谱上观察到对应于分子指纹的共振峰，从而实现对物质的检测。等离子体具有的较大欧姆损耗将导致低品质因数Q谐振，使检测性能不理想，近年来，有研究提出基于准连续体束缚态原理、使用高折射率介电材料产生高Q共振的方法，利用成像实现分子指纹检测。

中红外超表面在成像中的应用主要有：偏振成像、可调及可重构超表面、与红外焦平面阵列（IR FPA）集成的超表面。另外，中红外光谱包含了源自化学键固有振动模式的特征分子吸收指纹，可以直接表征具有该光谱范围独有的化学特异性的分子的结构，是一种强大的无损和无标记技术。表面增强红外吸收可以增强分子振动信号10³~10⁵倍，能够有效提高红外光谱的检测灵敏度，在生物分子的检测、气体检测等应用领域都展现出巨大的潜力。

中红外偏振超表面设计

石墨烯电可调超表面

近年来，人们对超表面性能的要求越来越高，使得由正向设计得到的一般的简单图形往往无法满足。随着计算机技术的发展与提高，逆向设计例如基于梯度的算法、遗传算法、深度学习算法被用于超表面结构的设计。逆向设计通常使用目标函数反馈更新结构获得所需超表面结构，具有参数调控维度多、设计灵活等优点。其中，粒子群算法、遗传算法已被应用于中红外超表面结构的设计，有利于实现高性能、多功能超表面光学器件。

随着金纳米天线等纳米结构和石墨烯等新材料的出现，表面增强红外吸收在过去几十年间快速发展，在对化学物质、生物分子、气体等的高灵敏度痕量检测中具有重要应用。进一步提高表面增强红外吸收信号增强可以对现有的应用（例如利用红外技术检测生理样品中的低含量蛋白质）带来积极影响。

与体积较庞大且成本昂贵的传统中红外光学元件相比，超表面结构具有卓越的光学性能、SWaP优势和制造可扩展性，有望在未来的红外光学系统中被广泛采用，可以在红外成像、自由空间光通信、遥感、医学成像和物质检测等关键领域实现应用。纳米制造技术的快速发展也将促进未来紧凑、集成超表面的发展。

该项目获得国家自然科学基金（61905213）的支持。该研究第一作者为浙江大学硕士生雷姚远，主要从事超表面方面的研究工作。