工作在2-20 μm波長范圍內的中紅外（MIR）光子傳感器因其卓越的分子傳感能力而迅速變得非常重要。這部分光譜被稱為“分子指紋”區域，對應于許多分子的基本振動能級和轉動能級，可實現高選擇性和高靈敏度的檢測。與傳統檢測方法相比，中紅外光子傳感器具有明顯的優勢，傳統檢測方法通常依賴于間接或靈敏度較低的方法。此外，這些傳感器可以提供實時、非侵入性和原位分析，這對于需要快速可靠信息的應用來說是關鍵特性。中紅外光子傳感器通過表征分子的獨特振動模式，實現了精確的化學和生物檢測，從而徹底改變了光學傳感。
據麥姆斯咨詢報道，近日，波蘭華沙理工大學（Warsaw University of Technology）的研究人員在Sensors期刊上發表了題為“Mid-Infrared Photonic Sensors: Exploring Fundamentals, Advanced Materials, and Cutting-Edge Applications”的綜述文章。文中探討了中紅外光子學的基本原理，強調了2-20 μm波長范圍內的光-物質相互作用。此外，還研究了創新的傳感器架構，例如集成光子平臺和光纖，這些架構可以提高靈敏度、特異性和器件小型化。本綜述討論延伸到環境監測、醫療診斷、工業過程和安全方面的突破性應用，強調了這些技術的變革性影響。本綜述旨在闡明當前的最新技術，同時啟發中紅外光子傳感器的未來發展。
結構化的大綱圖闡明了本綜述內容
I 中紅外光子學的基本原理、材料平臺和制造方法
中紅外光子傳感器的工作原理基于樣品中中紅外光子和分子結構之間的相互作用，利用吸收、透射和反射等機制。這些相互作用提供了有關樣品分子組成、濃度以及在某些情況下其物理狀態的數據。傳感機制基本上基于分子吸收中紅外光子時發生的分子振動模式，從而產生可測量的光譜特征。這些特征可以揭示樣品分子組成的詳細信息。
下表概述了各種中紅外材料，對其光學特性和熱穩定性的更深入分析對于理解它們在中紅外光子傳感器應用中的權衡至關重要。硅（Si）和鍺（Ge）都被廣泛使用，但Ge更適合于較長的中紅外波長，因為與Si的透明范圍（1.1-7 μm）相比，Ge更寬，達到2-14 μm，而硅在7 μm以上表現出明顯吸收。此外，Ge的高折射率（~4.0）可以實現更強的光約束，這有利于形成緊湊的中紅外光子器件。然而，Si具有優異的熱穩定性（高達~1200 ℃），而Ge在空氣中約600°C時會降解，限制了其在高溫環境中的使用。同樣，氮化硅（Si?N?）和硫系玻璃（ChG）也存在另一種權衡；Si?N?具有高度的熱穩定性（~1200 ℃）和CMOS兼容性，但僅在7 μm以下透明，而ChG支持更寬的中紅外范圍（1-25 μm），但熱穩定性較低（~400 ℃）。對于III-V材料，砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）都具有高折射率（~ 3.2-3.3）和寬透明范圍，GaAs延伸至13 μm，使其對于非線性光學應用非常有價值。然而，這些材料存在集成挑戰，InP更常用于有源光電器件，例如中紅外激光器。最終，中紅外光子傳感器的材料選擇取決于光學性能與熱穩定性、制造限制之間平衡。Ge比Si具有更寬的透明范圍和更強的光約束，而Si仍然是高溫應用的理想選擇。同樣，盡管ChG的熱穩定性較低，但它們在長波中紅外傳感方面表現出色，而Si?N?更適合集成光子學。這些權衡強調了根據特定的中紅外傳感器要求仔細選擇材料的必要性。
表1 中紅外光子學材料平臺的特性
II 傳感機制與技術
為了有效地利用中紅外傳感技術，有必要了解驅動其運行的基本機制。一些最突出的傳感方法包括吸收光譜、倏逝波傳感以及光聲和光熱技術。吸收光譜包括傅立葉變換紅外光譜（FTIR）和可調諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）等方法，可用于高度特異性的分子吸收測量。倏逝波傳感利用表面敏感倏逝場來檢測界面附近發生的分子相互作用。同時，光聲和光熱技術將吸收的中紅外輻射轉化為可測量的聲學或熱信號，有助于痕量檢測。此外，像中紅外熒光和非線性光學效應（例如差頻產生）這樣的新興技術提供了更高的靈敏度和精度，拓寬了中紅外傳感器在環境監測、工業應用和生物醫學研究等領域的范圍。
中紅外光子傳感器設計的關鍵組成部分
III 中紅外光子傳感器的類型
研究人員探討了兩種不同類型的中紅外光子傳感器：基于波導的傳感器和基于光纖的傳感器。每一種都在光子傳感領域提供了獨特的優勢和應用。
在中紅外波長范圍內工作的光波導傳感器非常重要，因為它們能夠利用該光譜區域內許多化學和生物物種的強分子吸收特性。中紅外范圍通常被稱為“分子指紋區”，通過直接探測氣體、液體和固體的獨特吸收線，可以對其進行高選擇性和高靈敏度的檢測。這些傳感器在環境監測中特別有價值，能夠精確檢測CO?、CH?和N?O等溫室氣體。它們在工業過程控制中也至關重要，對揮發性有機化合物（VOC）的實時監測可提高安全性和效率。此外，中紅外波導傳感器通過對人體呼吸和體液中的生物標志物進行非侵入性分析，正在推進醫學診斷。它們的緊湊性、魯棒性和集成潛力使其成為便攜式傳感設備的理想選擇，為遙感、國土安全和食品質量保證開辟了新的可能性。
懸浮式硅波導氣體傳感平臺
基于中紅外光纖的傳感器因其在中紅外光譜范圍內工作的能力而受到廣泛關注，這非常適合需要高靈敏度和特異性的應用。為該光譜范圍設計的光纖可作為高效波導，實現中紅外輻射的遠程傳輸和收集。與傳統的自由空間系統不同，基于中紅外光纖的傳感器提供了更高的靈活性、緊湊性和與復雜環境的兼容性，為其在苛刻的工業環境、醫療診斷和環境監測中的應用鋪平了道路。
使用硒化物和碲化物玻璃纖維設計的高靈敏度光纖探頭
IV 中紅外光子傳感器的應用
中紅外光子傳感器在各個行業都有巨大的潛力。下圖為所選材料在中紅外范圍內的吸收峰。例如，在醫療保健領域，中紅外光子傳感器可以通過檢測呼吸或體液中的痕量生物標志物來實現快速、非侵入性的診斷。環境監測也將受益，因為中紅外光子傳感器可以高度特異地識別溫室氣體和污染物。同樣，工業環境中的中紅外光子傳感器增強了過程控制，從而在石化加工和食品安全等領域提高了效率和精度。鑒于其廣泛的適用性和對準確、實時傳感的日益增長的需求，中紅外光子傳感器在推動公共衛生、環境監測和工業生產力方面處于有利地位。
具有標記的特定分子吸收區域的中紅外光譜
總而言之，中紅外光子傳感器已成為化學傳感領域的強大工具，因為它們能夠在許多有機化合物表現出獨特吸收特征的光譜范圍（2-20 μm）內工作。這使得中紅外光子傳感器能夠以高靈敏度和高選擇性檢測特定的化學成分。關鍵的技術進步集中在使傳感器更小、更靈敏，并更好地與電子系統集成。在中紅外特定材料（例如量子級聯激光器和間帶級聯激光器材料，以及諸如硫系玻璃和氟化物玻璃之類的透明材料）方面的進展，為更緊湊、更具成本效益的中紅外傳感器鋪平了道路。這些創新將中紅外應用擴展到環境監測、生物醫學診斷、工業過程控制和國防等領域。然而，仍然存在重大挑戰，包括中紅外組件的高成本、合適材料的有限可用性以及系統集成和現場使用的耐用性問題。
中紅外光子傳感器的未來發展預計將源于材料科學、制造技術和光子集成的持續進步。石墨烯、超構材料和等離激元波導等新興材料有望進一步提高中紅外光子傳感器的靈敏度。集成光子回路也可能發揮關鍵作用，允許更小、更低功耗、多功能的傳感器設計。隨著傳感器技術的發展，數據處理方法的集成將有可能改善實時分析，并實現更復雜的應用。總之，這些進步可以重塑中紅外光子傳感器領域，使其在未來幾年更加通用、穩健，并廣泛應用于各個領域。
論文鏈接：
https://www.mdpi.com/1424-8220/25/4/1102
