中紅外（MIR）光譜廣泛應(yīng)用于氣體傳感、工業(yè)檢測(cè)、天文觀測(cè)及成像等諸多領(lǐng)域。盡管薄膜窄帶干涉濾光片在中紅外傳感中具有成本效益，但其復(fù)雜的制造工藝限制了其在小型化系統(tǒng)中的應(yīng)用。等離子體納米結(jié)構(gòu)雖已被探索用于中紅外波段，但由于金屬固有的歐姆損耗，這些結(jié)構(gòu)存在光譜響應(yīng)寬、效率較低等缺陷。因此，有研究提出將具有低本征損耗的全介電超構(gòu)表面（metasurfaces）作為中紅外光譜中的替代方案。然而，全介電超構(gòu)表面的工作通常僅限于反射模式。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，由英國(guó)劍橋大學(xué)（University of Cambridge）、英國(guó)埃克塞特大學(xué)（University of Exeter）和阿聯(lián)酋哈利法科學(xué)技術(shù)大學(xué)（Khalifa University of Science and Technology）組成的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種可在透射模式下工作的金屬-介電混合超構(gòu)表面，適用于中紅外光譜。該超構(gòu)表面由位于氟化鈣（CaF?）襯底上的鋁（Al）圓柱頂端覆蓋鍺（Ge）構(gòu)成。該結(jié)構(gòu)在λ=2.6 μm處實(shí)現(xiàn)80%的高透射效率和0.4 μm的窄半高全寬（FWHM）。該超構(gòu)表面的透射響應(yīng)源自Ge與Al結(jié)構(gòu)之間的模式耦合。通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證設(shè)計(jì)后，該超構(gòu)表面采用簡(jiǎn)單的制造工藝制備而成，并成功作為內(nèi)嵌（in-line）光學(xué)濾光片集成到氣體傳感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)二氧化碳（CO?）氣體的檢測(cè)，檢測(cè)限達(dá)到≈0.04%（≈400 ppm）。這項(xiàng)工作凸顯了金屬-介電混合超構(gòu)表面作為中紅外光譜內(nèi)嵌氣體傳感濾光片的潛力。上述研究成果以“High-Transmission Mid-Infrared Bandpass Filters using Hybrid Metal-Dielectric Metasurfaces for CO2 Sensing”為題發(fā)表在Advanced Optical Materials期刊上。
中紅外光譜濾光片設(shè)計(jì)必須兼顧優(yōu)化三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)以提高濾光片性能。這三個(gè)參數(shù)分別為高透射效率、窄透射峰以及工作波段內(nèi)的單一透射峰。這項(xiàng)研究通過(guò)開發(fā)新型金屬-介電混合超構(gòu)表面濾光片來(lái)解決這些挑戰(zhàn)，該濾光片不僅優(yōu)化了上述關(guān)鍵參數(shù)，同時(shí)還簡(jiǎn)化了制備工藝。因此，這項(xiàng)研究有望推動(dòng)中紅外光譜領(lǐng)域的發(fā)展。圖1a顯示了具有不同幾何參數(shù)的金屬-介電混合超構(gòu)表面的示意圖。
圖1 金屬-介電混合超構(gòu)表面的示意圖及改變幾何參數(shù)對(duì)其光譜響應(yīng)的影響
為了揭示金屬-介電混合超構(gòu)表面的優(yōu)勢(shì)及其對(duì)響應(yīng)的提升作用，研究人員分別計(jì)算了在優(yōu)化幾何參數(shù)下，純Al、純Ge和Al-Ge混合超構(gòu)表面的透射響應(yīng)。此外，由于透射光譜受散射影響，研究人員還計(jì)算了多極展開和散射截面（SCS），用以分析其響應(yīng)的物理機(jī)制，相關(guān)結(jié)果如圖2所示。
圖2 Al、Ge和Al-Ge混合超構(gòu)表面對(duì)光譜響應(yīng)的影響
圖3a為Al-Ge混合超構(gòu)表面在y-z平面的電場(chǎng)分布（與圖1a相關(guān)）。結(jié)果顯示，電場(chǎng)集中在超構(gòu)表面的超構(gòu)單元周圍，表明其對(duì)周圍環(huán)境具有高靈敏度。圖3b展示了超構(gòu)表面的制造工藝。在將抗蝕劑旋涂到襯底上之后，軟烘（soft bake）是抗蝕劑制備的關(guān)鍵步驟。其主要作用是去除抗蝕劑中的殘留溶劑，從而增強(qiáng)與襯底的附著力并消除抗蝕劑薄膜中的氣泡。研究人員在不同軟烘溫度下完成器件的制備，以評(píng)估裂紋對(duì)最終器件的影響，相關(guān)結(jié)果如圖4所示。
圖3 Al-Ge混合超構(gòu)表面的電場(chǎng)和制造工藝
圖4 不同軟烘溫度、不同烘烤時(shí)間下軟烘樣品的光學(xué)顯微照片和掃描電鏡（SEM）圖
接著，研究人員對(duì)所制備的金屬-介電混合超構(gòu)表面進(jìn)行了光學(xué)表征，使用傅里葉變換紅外（FTIR）顯微鏡對(duì)該超構(gòu)表面進(jìn)行了光譜測(cè)量，結(jié)果如圖5所示。
圖5 金屬-介電混合超構(gòu)表面的光學(xué)表征
最后，研究人員將Al-Ge混合超構(gòu)表面集成到概念驗(yàn)證非色散紅外（NDIR）氣體傳感器系統(tǒng)中，用以檢測(cè)二氧化碳?xì)怏w。氣體傳感器系統(tǒng)的原理圖如圖6所示。該NDIR系統(tǒng)包括基于寬帶紅外微熱板的熱輻射源和單通道硅熱電堆探測(cè)器。將Al-Ge混合超構(gòu)表面置于紅外探測(cè)器的光學(xué)窗口上，并將該組件安裝于光學(xué)氣室中，氣室由路徑長(zhǎng)度為55 mm的Al塊構(gòu)成（如圖7a）。該NDIR系統(tǒng)針對(duì)不同濃度二氧化碳?xì)怏w的檢測(cè)結(jié)果如圖7c和圖7d所示。
圖6 氣體傳感器系統(tǒng)原理圖
圖7 NDIR系統(tǒng)及針對(duì)不同濃度二氧化碳?xì)怏w的檢測(cè)結(jié)果
綜上所述，這項(xiàng)研究提出的金屬-介電混合超構(gòu)表面結(jié)合了等離子體金屬和介電超構(gòu)表面的優(yōu)點(diǎn)，具有成為高透射中紅外光學(xué)濾光片的巨大的潛力。該研究展示了一種針對(duì)2.6 μm二氧化碳吸收模式的帶通濾光片，達(dá)到80%的高透射效率和0.4 μm的窄FWHM。該超構(gòu)表面已成功集成到概念驗(yàn)證NDIR氣體傳感系統(tǒng)中，檢測(cè)限達(dá)到≈0.04%。研究人員使用FTIR顯微鏡對(duì)該超構(gòu)表面進(jìn)行了光學(xué)表征，結(jié)果與模擬結(jié)果非常吻合。這項(xiàng)研究成果凸顯了金屬-介電混合超構(gòu)表面在中紅外傳感和光譜應(yīng)用中作為可定制光學(xué)濾光片的潛力。
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https://doi.org/10.1002/adom.202402603
