科学研究
科研成果
北大研究团队提出基于飞秒激光辐照耦合表面波的传感新策略
发布日期:2024-01-18 浏览次数:
  供稿:重离子物理研究所  |   编辑:周庆秋   |   审核:马文君

近日,伟德BETVlCTOR1946重离子物理研究所颜学庆教授、常超研究员与军事科学院国防科技创新研究院娄菁助理研究员、新加坡国立大学仇成伟教授等合作,利用太赫兹近场扫描探针系统,结合时域有限方法的仿真模拟,提出了基于飞秒激光辐照超表面耦合表面波的高灵敏集成化传感新策略,从而实现单一元器件的折射率传感与指纹谱识别的功能化集成。该策略为解决提升传感器灵敏度限制提供新的思路,扩宽现有超表面耦合表面波研究范围,避免编码超表面指纹谱识别工作带来的复杂设计与集成限制。2024年1月5日,相关工作以“基于超表面激发表面波的先进太赫兹折射率传感与指纹识别”(Advanced Terahertz Refractive Sensingand Fingerprint Recognitionthrough Metasurface-Excited Surface Waves)为题,在线发表于《先进材料》(Advanced Materials)。

生物学检测和传感与人们的生活和健康密切相关,针对特定生物分子的高灵敏传感器为生物信息跟踪与生理学过程的判断提供了强有力的检测途径和依据,是生理学研究及人体健康检测中不可或缺的重要手段之一。随着人们对生物检测性能要求的进一步提高,一系列光学传感器应运而生。然而传统的超表面传感思路更倾向于依赖二维周期结构的单一谐振模式实现待测物信息的采集和积累,并借助透射或反射谱的变化体现传感。因此,一方面人们只能在二维结构内提升Q因子,电磁场由于被局域在结构内部而限制了获取物质信息的方式和提升物质相互作用的途径;另一方面基于超表面的指纹谱识别工作往往基于一系列编码超表面的传感策略,对样品加工和器件集成带来一系列限制。

基于此,研究人员借助表面波在等离子体金属表面的长程传播特性,设计了用于耦合转化空间传播波为表面波的太赫兹超表面器件。当太赫兹飞秒激光光斑垂直辐照在器件左侧时,通过合理排布超表面元原子的Pancharatnam–Berry(PB)相位,则能够在器件表面成功激发向右侧传播的太赫兹表面波。当表面波在器件表面传输时,则能与传播环境中的待测物持续作用,不断收集待测物信息并积累在表面波的传输振幅与相位中(Fig.1)。进一步,通过合理设计用于支持表面波传播的等离子体金属波导,表面波在长程传输的过程中可以从底部的空气孔中泄露,并被太赫兹近场探针探测,从而得到反映待测物情况的表面波信息。

图1基于超表面耦合表面波实现高灵敏折射率传感与指纹谱识别示意图

通过在元器件表面铺覆具有特定性质的待测物层,可以分别从折射率实部和虚部影响表面波的传播情况。分析物的折射率实部能够对原有等离子体波导单元的色散曲线产生移动,使得相同频率表面波传播时的等效波矢发生变化。因此,待测物折射率实部的存在使得相同的传播距离下,表面波的传播相位发生改变;另一方面,分析物的折射率虚部对应具有特定指纹频率的振动模式,因而当不同频率的表面波在传播过程中,频率与待测物指纹频率匹配的部分将不断与待测物发生共振损耗,在表面波传输曲线相应的部分也会存在明显下降。

图2通过检测表面波的传输相位和传输振幅实现待测物折射率传感与指纹识别

本工作深度挖掘了表面波长程传播特性的传感潜力、拓宽超表面激发片上表面波的应用范围,由于采用了非传统透射或反射式的传感方式,因而能够通过延长表面波传播距离的方式避免器件灵敏度的提升限制。由于充分利用表面波的相位维度,因而该策略能够从传播相位和传播振幅两个角度独立的探测待测物的折射率传感与指纹谱识别。另外,基于器件在特定波段内连续激发表面波的性能,因而实现了紧凑单元组的连续指纹谱识别,从而避免了编码超表面策略中准连续谱识别的复杂设计与集成限制。

伟德BETVlCTOR1946重离子物理研究所张泽琰为第一作者,常超、颜学庆、娄菁、仇成伟为文章的共同通讯作者。这项工作得到了国家自然科学基金委、科技部与科学探索奖等经费支持。

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202308453