利用超构表面热辐射器，实现芯片级中红外光谱传感
来源：红外芯闻
发布时间：2025-07-12
阅读量：1
中红外（MIR）光谱传感在现场检测中需求迫切，但传统微型化光谱仪多聚焦色散元件或探测器优化，光源与准直单元因体积大、成本高成为瓶颈，尤其在中红外领域，环境辐射不足与探测器要求严苛进一步限制了微型化进展，亟需开发集成光源、色散与准直功能的芯片级传感平台。
据报道，近日，暨南大学物理与光电工程学院的研究团队展示了将光源工程作为开发中红外微型光谱传感平台的新范式，其中分析物的光谱信息被编码在芯片级热辐射器的中红外图像中。该热辐射器由一组在不同波长下工作的角度不敏感超构表面（metasurface）子热辐射器（sub-emitters）阵列组成，通过解码辐射强度分布图像，实现了一种简便的传感方法。通过实验验证了对有机溶剂的准确稳定分类、药物分拣，以及混合有机溶液的定量浓度测量，成像角度容差高达40°。此外，研究人员利用该器件进行光谱成像，成功获取了对塑料覆盖钢环的清晰成像。通过将传统光谱平台中光源、色散元件和准直单元的功能集成到该芯片级超构表面热辐射器中，这种微型化中红外光谱传感技术在便携式和现场材料分析领域展现出广阔应用前景。这项研究以“Metasurface-engineered thermal emitters enabled chip-scale mid-infrared spectroscopic sensing”为题发表在PhotoniX期刊上。
图1a展示了所提中红外光谱传感平台的工作原理，其核心是对超构表面热辐射器所得类似二维码的图像进行解码。本研究的超构表面热辐射器由同一硅衬底上的若干子热辐射器阵列构成，衬底与微型加热器集成，使其温度可控。每个子热辐射器本质上是基于金属-介质-金属（MDM）结构的超构表面改性黑体吸收器，其中底部金属接地层抑制宽带透射，顶部周期性金属微盘阵列在谐振波长处抑制反射，缝隙等离子体主导MDM结构中的谐振。在此框架下，对超构表面热辐射器源进行中红外成像即可记录每个子热辐射器的发射强度，即对所有光谱波段的信息进行采集。在超构表面热辐射器与相机之间放置待测样品，不同样品对不同波长的热辐射吸收程度不同，从而在成像中形成差异化的空间辐射分布。这种类似二维码的图像编码方法不仅可用于光谱分析，也可用于光谱传感。图2展示了MDM子热辐射器吸收和发射光谱。
图1 基于超构表面热辐射器的中红外光谱传感平台
图2 MDM子热辐射器吸收和发射光谱
对超构表面热辐射器进行中红外成像即可记录每个子热辐射器的发射强度。图3a为热图像采集的实验装置示意图。图3b与图 3c分别展示了计算与实测的超构表面热辐射器热图像。计算结果表明，无论是MDM结构差异还是温度变化，均会在热图像中产生显著调制，实测结果与计算结果高度一致。
图3 超构表面热辐射器的二维码式热图像
基于上述结果，研究人员将超构表面热辐射器应用于材料分析与识别，相关结果如图4所示。大多数色散元件对入射角度敏感，因此在常规分光系统中必需使用准直组件，从而增加了系统复杂度、体积和成本。即便在基于图像编码的新兴光谱传感平台中，仍需准直元件以保持成像角度固定。然而，在便携和现场测量中精确控制成像角度并不现实。本研究MDM超构表面结构凭借深亚波长谐振耦合而具有显著的角度无关特性，可为实现无需准直组件的紧凑型中红外光谱平台提供可能，对入射角度的光谱传感测试如图5所示。
图4 基于超构表面热辐射器的光谱特征材料识别
图5 角度稳健的光谱传感
尽管超构表面热辐射器主要用于光谱传感，但其在光谱成像方面的潜力同样值得探讨。研究人员采用温度加热至 423 K的单模（SM）超构表面热辐射器验证这一概念，因其每个子热辐射器仅具有单一发射谱带，简化了成像数据处理，相关结果如图6所示。结果显示，基于超构表面调控的热辐射技术不仅可用于光谱传感，还具备光谱成像的能力，同时可进一步扩展至远程探测、防伪等领域。
图6 高密度聚乙烯（HDPE）覆盖钢环的光谱成像结果
综上所述，这项研究提出并演示了一种基于超构表面热辐射器的微型化、无需准直的中红外光谱传感平台。这种方法不同于以往侧重滤波器或探测器的微型化策略，而是通过光源工程实现了光谱仪的整体微型化。首次将光源、色散与准直单元集成于芯片级超构表面热辐射器；利用角度不敏感的MDM超构表面消除准直需求，通过热图像编码替代传统色散采样，实现无准直、小尺寸、低成本的中红外光谱传感。同时结合机器学习实现了定性分类与定量测量，为现场材料分析提供了普适性平台。这项技术在化工、医药、生物、环境、农业和矿产等领域的便携式材料分析中展现出广阔的应用前景。
免责声明
- 1、本文内容版权归属原作者、原发表出处。若版权所有方对本文的引用持有异议，请联系感算商城（service@gansuan.com），我方将及时处理。
- 2、本文的引用仅供读者交流学习使用，不涉及商业目的。
- 3、本文内容仅代表作者观点，感算商城不对内容的准确性、可靠性或完整性提供明示或暗示的保证。读者阅读本文后做出的决定或行为，是基于自主意愿和独立判断做出的，请读者明确相关结果。
- 4、如需转载本方拥有版权的文章，请联系感算商城（service@gansuan.com）注明“转载原因”。未经允许私自转载感算商城将保留追究其法律责任的权利。