據液晶太赫茲樂園微信公眾號,于2025年09月11日報道,該文章發表于《PhotoniX》2025 年第 6 卷第 19 期,由暨南大學團隊撰寫,核心是提出基于超表面設計熱輻射源(META 源)的芯片級中紅外光譜傳感技術。
傳統微型光譜儀忽視光源與準直單元的微型化,團隊設計的 META 源整合光源、色散元件與準直單元功能,以硅為基底構建 6×6 金屬 - 介質 - 金屬(MDM)子輻射源陣列,各子輻射源在 8-14μm 波段有特定吸收 / 發射特性且角度不敏感(容忍度達 40°)。
圖1分為兩部分,核心展示了微型化紅外光譜傳感的硬件架構與編碼原理。a 部分為平臺示意圖,核心組件包括 6×6 陣列的子輻射源(META 源)、微型加熱器、液體樣品池和微紅外相機,所有組件同軸放置。其中,META 源基于金屬 - 介質 - 金屬(MDM)超表面修飾黑體,加熱器控制溫度,樣品池位于源與相機之間,通過拍攝子輻射源的紅外圖像,將樣品的光譜吸收信息編碼到圖像中。b 部分展示了單模(SM)和雙模(DM)MDM 超表面的結構示意圖,以及 6×6 子輻射源陣列的熱成像圖,子輻射源以(行號,列號)標注,為后續光譜解碼提供 “二維碼式” 空間坐標。
圖2聚焦單模(SM)和雙模(DM)兩種 MDM 子輻射源的光學性能,驗證其光譜調控能力。a 部分為 6 個 SM 子輻射源的實測吸收光譜,共振波長覆蓋 8.46-13.12μm,線寬 360-750nm,與模擬結果一致(因制備誤差略有吸收下降),對應子輻射源標簽為(5,1)至(5,6)。b 部分為這 6 個 SM 子輻射源在 373K 下的計算發射光譜,發射峰與吸收峰完全匹配,符合基爾霍夫熱輻射理論。c 部分為 6 個 DM 子輻射源的實測吸收光譜,每個子輻射源在目標波長范圍內有兩個共振峰,由大小 Au 圓盤直徑調控。d 部分為 DM 子輻射源在 373K 下的計算發射光譜,發射帶寬比 SM 更寬,平均強度更高,可提升傳感信噪比;圖中插圖為 SM 和 DM 子輻射源的掃描電鏡(SEM)圖像,直觀展示其微觀結構。
圖3通過實驗與模擬對比,驗證熱成像的編碼效果及樣品對成像的影響。a 部分為實驗裝置實物圖,顯示微紅外相機(HIKMICRO P20MAX,分辨率 50mK)、液體池、META 源同軸放置,整體尺寸接近智能手機,相機實時成像可通過手機讀取,體現便攜性。b 部分為四組對比實驗的模擬與實測熱成像:373K 下 SM 子輻射源陣列、373K 下 DM 子輻射源陣列、523K 下 DM 子輻射源陣列、373K 下含花生油樣品的 DM 子輻射源陣列。結果顯示,DM 陣列成像特征更豐富、對比度更高;523K 時因邊緣熱積累,子輻射源邊緣 emissivity 升高(373K 無此現象,故后續實驗設為 373K);加入花生油后,成像與無樣品時差異顯著,證明樣品吸收可被編碼到圖像中。
圖4展示技術在定性分類與定量檢測中的實際性能,覆蓋有機溶劑、藥物和混合溶液三類場景。a 部分為 6 種有機溶劑(甲醇、乙醇、丙酮等)的 DM 陣列熱成像,每種溶劑成像獨特;通過構建圖像特征數據庫,對 60 個未知樣品分類,準確率達 100%,且單次識別僅需 0.1s。b 部分為 3 種鎮痛藥(阿司匹林、對乙酰氨基酚、布洛芬)的成像與分析,因藥物溶液成像相似度高,采用主成分分析(PCA)降維 + 二次判別分析(QDA)分類,60 個樣品準確率 100%,PCA 得分圖顯示三類樣品形成獨立聚類。c 部分為乙醇 - 環己烷混合溶液的濃度檢測,采用精細樹回歸(FTR)模型,濃度范圍 0-100%,測試集決定系數 R2=0.99,均方根誤差(RMSE)=0.013,跨批次驗證性能穩定,證明定量檢測能力。
圖5驗證 META 源的角度不敏感性,解決傳統光譜儀需準直組件的問題。a 部分為 0-40° 成像角度下 DM 陣列的熱成像,圖像保真度高,且 30 分鐘成像過程穩定,證明系統穩定性。b 部分為子輻射源(1,4)在 0-40° 下的計算吸收光譜,40° 時與 0° 光譜相關性仍 > 0.9,體現角度魯棒性。c 部分為 6 種溶劑在 10-40° 與 0° 成像的相關性,均 > 0.8(高相關區間)。d 部分為基于 0° 數據庫對 300 個不同角度樣品(每種角度 10 張圖)的分類結果,準確率 100%,證明無需準直組件即可實現可靠傳感,適配現場便攜場景。
圖6拓展技術應用場景,展示其光譜成像能力。實驗采用 423K 的 SM META 源(單發射帶簡化數據處理),樣品為 HDPE 薄膜覆蓋的鋼環(鋼環阻擋紅外,HDPE 透射率隨波長變化)。選擇 3 個共振波長分別為 10.89μm、12.19μm、13.89μm 的子輻射源(3,3)、(1,5)、(5,4),對應 HDPE 透射率為 31%、18%、0%。成像結果顯示:10.89μm 和 12.19μm 下可清晰看到鋼環形狀,13.89μm 下因 HDPE 完全不透射,鋼環消失,證明技術可實現波長分辨的光譜成像,潛在用于遙感、防偽等領域。