摘要：中红外（MIR）光谱广泛应用于气体传感、工业检测、天文观测及成像等诸多领域。尽管薄膜窄带干涉滤光片在中红外传感中具有成本效益，但其复杂的制造工艺限制了其在小型化系统中的应用。等离子体纳米结构虽已被探索用于中红外波段，但由于金属固有的欧姆损耗，这些结构存在光谱响
中红外（MIR）光谱广泛应用于气体传感、工业检测、天文观测及成像等诸多领域。尽管薄膜窄带干涉滤光片在中红外传感中具有成本效益，但其复杂的制造工艺限制了其在小型化系统中的应用。等离子体纳米结构虽已被探索用于中红外波段，但由于金属固有的欧姆损耗，这些结构存在光谱响应宽、效率较低等缺陷。因此，有研究提出将具有低本征损耗的全介电超构表面（metasurfaces）作为中红外光谱中的替代方案。然而，全介电超构表面的工作通常仅限于反射模式。
据麦姆斯咨询报道，近日，由英国剑桥大学（University of Cambridge）、英国埃克塞特大学（University of Exeter）和阿联酋哈利法科学技术大学（Khalifa University of Science and Technology）组成的研究团队提出了一种可在透射模式下工作的金属-介电混合超构表面，适用于中红外光谱。该超构表面由位于氟化钙（CaF₂）衬底上的铝（Al）圆柱顶端覆盖锗（Ge）构成。该结构在λ=2.6 µm处实现80%的高透射效率和0.4 µm的窄半高全宽（FWHM）。该超构表面的透射响应源自Ge与Al结构之间的模式耦合。通过数值模拟验证设计后，该超构表面采用简单的制造工艺制备而成，并成功作为内嵌（in-line）光学滤光片集成到气体传感系统，实现对二氧化碳（CO₂）气体的检测，检测限达到≈0.04%（≈400 ppm）。这项工作凸显了金属-介电混合超构表面作为中红外光谱内嵌气体传感滤光片的潜力。上述研究成果以“High-Transmission Mid-Infrared Bandpass Filters using Hybrid Metal-Dielectric Metasurfaces for CO2 Sensing”为题发表在Advanced Optical Materials期刊上。
中红外光谱滤光片设计必须兼顾优化三个关键参数以提高滤光片性能。这三个参数分别为高透射效率、窄透射峰以及工作波段内的单一透射峰。这项研究通过开发新型金属-介电混合超构表面滤光片来解决这些挑战，该滤光片不仅优化了上述关键参数，同时还简化了制备工艺。因此，这项研究有望推动中红外光谱领域的发展。图1a显示了具有不同几何参数的金属-介电混合超构表面的示意图。
图1 金属-介电混合超构表面的示意图及改变几何参数对其光谱响应的影响
为了揭示金属-介电混合超构表面的优势及其对响应的提升作用，研究人员分别计算了在优化几何参数下，纯Al、纯Ge和Al-Ge混合超构表面的透射响应。此外，由于透射光谱受散射影响，研究人员还计算了多极展开和散射截面（SCS），用以分析其响应的物理机制，相关结果如图2所示。
图2 Al、Ge和Al-Ge混合超构表面对光谱响应的影响
图3a为Al-Ge混合超构表面在y-z平面的电场分布（与图1a相关）。结果显示，电场集中在超构表面的超构单元周围，表明其对周围环境具有高灵敏度。图3b展示了超构表面的制造工艺。在将抗蚀剂旋涂到衬底上之后，软烘（soft bake）是抗蚀剂制备的关键步骤。其主要作用是去除抗蚀剂中的残留溶剂，从而增强与衬底的附着力并消除抗蚀剂薄膜中的气泡。研究人员在不同软烘温度下完成器件的制备，以评估裂纹对最终器件的影响，相关结果如图4所示。
图3 Al-Ge混合超构表面的电场和制造工艺
图4 不同软烘温度、不同烘烤时间下软烘样品的光学显微照片和扫描电镜（SEM）图
接着，研究人员对所制备的金属-介电混合超构表面进行了光学表征，使用傅里叶变换红外（FTIR）显微镜对该超构表面进行了光谱测量，结果如图5所示。
图5 金属-介电混合超构表面的光学表征
最后，研究人员将Al-Ge混合超构表面集成到概念验证非色散红外（NDIR）气体传感器系统中，用以检测二氧化碳气体。气体传感器系统的原理图如图6所示。该NDIR系统包括基于宽带红外微热板的热辐射源和单通道硅热电堆探测器。将Al-Ge混合超构表面置于红外探测器的光学窗口上，并将该组件安装于光学气室中，气室由路径长度为55 mm的Al块构成（如图7a）。该NDIR系统针对不同浓度二氧化碳气体的检测结果如图7c和图7d所示。
图6 气体传感器系统原理图
图7 NDIR系统及针对不同浓度二氧化碳气体的检测结果
综上所述，这项研究提出的金属-介电混合超构表面结合了等离子体金属和介电超构表面的优点，具有成为高透射中红外光学滤光片的巨大的潜力。该研究展示了一种针对2.6 µm二氧化碳吸收模式的带通滤光片，达到80%的高透射效率和0.4 µm的窄FWHM。该超构表面已成功集成到概念验证NDIR气体传感系统中，检测限达到≈0.04%。研究人员使用FTIR显微镜对该超构表面进行了光学表征，结果与模拟结果非常吻合。这项研究成果凸显了金属-介电混合超构表面在中红外传感和光谱应用中作为可定制光学滤光片的潜力。
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来源：裴裴科技智慧