工作在2-20 µm波长范围内的中红外（MIR）光子传感器因其卓越的分子传感能力而迅速变得非常重要。这部分光谱被称为“分子指纹”区域，对应于许多分子的基本振动能级和转动能级，可实现高选择性和高灵敏度的检测。与传统检测方法相比，中红外光子传感器具有明显的优势，传统检测方法通常依赖于间接或灵敏度较低的方法。此外，这些传感器可以提供实时、非侵入性和原位分析，这对于需要快速可靠信息的应用来说是关键特性。中红外光子传感器通过表征分子的独特振动模式，实现了精确的化学和生物检测，从而彻底改变了光学传感。
据麦姆斯咨询报道，近日，波兰华沙理工大学（Warsaw University of Technology）的研究人员在Sensors期刊上发表了题为“Mid-Infrared Photonic Sensors: Exploring Fundamentals, Advanced Materials, and Cutting-Edge Applications”的综述文章。文中探讨了中红外光子学的基本原理，强调了2-20 µm波长范围内的光-物质相互作用。此外，还研究了创新的传感器架构，例如集成光子平台和光纤，这些架构可以提高灵敏度、特异性和器件小型化。本综述讨论延伸到环境监测、医疗诊断、工业过程和安全方面的突破性应用，强调了这些技术的变革性影响。本综述旨在阐明当前的最新技术，同时启发中红外光子传感器的未来发展。
结构化的大纲图阐明了本综述内容
I 中红外光子学的基本原理、材料平台和制造方法
中红外光子传感器的工作原理基于样品中中红外光子和分子结构之间的相互作用，利用吸收、透射和反射等机制。这些相互作用提供了有关样品分子组成、浓度以及在某些情况下其物理状态的数据。传感机制基本上基于分子吸收中红外光子时发生的分子振动模式，从而产生可测量的光谱特征。这些特征可以揭示样品分子组成的详细信息。
下表概述了各种中红外材料，对其光学特性和热稳定性的更深入分析对于理解它们在中红外光子传感器应用中的权衡至关重要。硅（Si）和锗（Ge）都被广泛使用，但Ge更适合于较长的中红外波长，因为与Si的透明范围（1.1-7 µm）相比，Ge更宽，达到2-14 µm，而硅在7 µm以上表现出明显吸收。此外，Ge的高折射率（~4.0）可以实现更强的光约束，这有利于形成紧凑的中红外光子器件。然而，Si具有优异的热稳定性（高达~1200 ℃），而Ge在空气中约600°C时会降解，限制了其在高温环境中的使用。同样，氮化硅（Si₃N₄）和硫系玻璃（ChG）也存在另一种权衡；Si₃N₄具有高度的热稳定性（~1200 ℃）和CMOS兼容性，但仅在7 μm以下透明，而ChG支持更宽的中红外范围（1-25 μm），但热稳定性较低（~400 ℃）。对于III-V材料，砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）都具有高折射率（~ 3.2-3.3）和宽透明范围，GaAs延伸至13 μm，使其对于非线性光学应用非常有价值。然而，这些材料存在集成挑战，InP更常用于有源光电器件，例如中红外激光器。最终，中红外光子传感器的材料选择取决于光学性能与热稳定性、制造限制之间平衡。Ge比Si具有更宽的透明范围和更强的光约束，而Si仍然是高温应用的理想选择。同样，尽管ChG的热稳定性较低，但它们在长波中红外传感方面表现出色，而Si₃N₄更适合集成光子学。这些权衡强调了根据特定的中红外传感器要求仔细选择材料的必要性。
表1 中红外光子学材料平台的特性
II 传感机制与技术
为了有效地利用中红外传感技术，有必要了解驱动其运行的基本机制。一些最突出的传感方法包括吸收光谱、倏逝波传感以及光声和光热技术。吸收光谱包括傅立叶变换红外光谱（FTIR）和可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）等方法，可用于高度特异性的分子吸收测量。倏逝波传感利用表面敏感倏逝场来检测界面附近发生的分子相互作用。同时，光声和光热技术将吸收的中红外辐射转化为可测量的声学或热信号，有助于痕量检测。此外，像中红外荧光和非线性光学效应（例如差频产生）这样的新兴技术提供了更高的灵敏度和精度，拓宽了中红外传感器在环境监测、工业应用和生物医学研究等领域的范围。
中红外光子传感器设计的关键组成部分
III 中红外光子传感器的类型
研究人员探讨了两种不同类型的中红外光子传感器：基于波导的传感器和基于光纤的传感器。每一种都在光子传感领域提供了独特的优势和应用。
在中红外波长范围内工作的光波导传感器非常重要，因为它们能够利用该光谱区域内许多化学和生物物种的强分子吸收特性。中红外范围通常被称为“分子指纹区”，通过直接探测气体、液体和固体的独特吸收线，可以对其进行高选择性和高灵敏度的检测。这些传感器在环境监测中特别有价值，能够精确检测CO₂、CH₄和N₂O等温室气体。它们在工业过程控制中也至关重要，对挥发性有机化合物（VOC）的实时监测可提高安全性和效率。此外，中红外波导传感器通过对人体呼吸和体液中的生物标志物进行非侵入性分析，正在推进医学诊断。它们的紧凑性、鲁棒性和集成潜力使其成为便携式传感设备的理想选择，为遥感、国土安全和食品质量保证开辟了新的可能性。
悬浮式硅波导气体传感平台
基于中红外光纤的传感器因其在中红外光谱范围内工作的能力而受到广泛关注，这非常适合需要高灵敏度和特异性的应用。为该光谱范围设计的光纤可作为高效波导，实现中红外辐射的远程传输和收集。与传统的自由空间系统不同，基于中红外光纤的传感器提供了更高的灵活性、紧凑性和与复杂环境的兼容性，为其在苛刻的工业环境、医疗诊断和环境监测中的应用铺平了道路。
使用硒化物和碲化物玻璃纤维设计的高灵敏度光纤探头
IV 中红外光子传感器的应用
中红外光子传感器在各个行业都有巨大的潜力。下图为所选材料在中红外范围内的吸收峰。例如，在医疗保健领域，中红外光子传感器可以通过检测呼吸或体液中的痕量生物标志物来实现快速、非侵入性的诊断。环境监测也将受益，因为中红外光子传感器可以高度特异地识别温室气体和污染物。同样，工业环境中的中红外光子传感器增强了过程控制，从而在石化加工和食品安全等领域提高了效率和精度。鉴于其广泛的适用性和对准确、实时传感的日益增长的需求，中红外光子传感器在推动公共卫生、环境监测和工业生产力方面处于有利地位。
具有标记的特定分子吸收区域的中红外光谱
总而言之，中红外光子传感器已成为化学传感领域的强大工具，因为它们能够在许多有机化合物表现出独特吸收特征的光谱范围（2-20 μm）内工作。这使得中红外光子传感器能够以高灵敏度和高选择性检测特定的化学成分。关键的技术进步集中在使传感器更小、更灵敏，并更好地与电子系统集成。在中红外特定材料（例如量子级联激光器和间带级联激光器材料，以及诸如硫系玻璃和氟化物玻璃之类的透明材料）方面的进展，为更紧凑、更具成本效益的中红外传感器铺平了道路。这些创新将中红外应用扩展到环境监测、生物医学诊断、工业过程控制和国防等领域。然而，仍然存在重大挑战，包括中红外组件的高成本、合适材料的有限可用性以及系统集成和现场使用的耐用性问题。
中红外光子传感器的未来发展预计将源于材料科学、制造技术和光子集成的持续进步。石墨烯、超构材料和等离激元波导等新兴材料有望进一步提高中红外光子传感器的灵敏度。集成光子回路也可能发挥关键作用，允许更小、更低功耗、多功能的传感器设计。随着传感器技术的发展，数据处理方法的集成将有可能改善实时分析，并实现更复杂的应用。总之，这些进步可以重塑中红外光子传感器领域，使其在未来几年更加通用、稳健，并广泛应用于各个领域。
论文链接：
https://www.mdpi.com/1424-8220/25/4/1102
