基于超表面增强的中红外成像光谱学
光学
2025-12-01 v1
摘要
中红外（mid-IR）光谱学通过分子吸收指纹实现化学特异性检测，为感知提供了前所未有的机会。然而，其实际应用受限于中红外范围内的光-物质相互作用弱以及中红外光源亮度低。表面增强红外吸收（SEIRA）光谱学通过利用共挑性光子结构（特别是等离子体和频率选择性介质超表面）来解决灵敏度限制。然而，当前的SEIRA实现主要依赖复杂的仪器和扫描组件，如傅里叶变换红外光谱和可调外腔量子级联激光器（EC QCL）。本文提出一种紧凑且高通量的基于成像的SEIRA平台，将宽带梯度超表面与调制射频的量子级联激光器相结合，后者产生相当广泛的瞬时发射光谱（250 cm⁻¹），覆盖多个不同分子振动模式的吸收带。通过将紧凑型（1 mm²）宽带梯度超表面的共振光谱与通过色散元件投射到其表面的激光发射光谱匹配，我们确保每个QCL光谱分量都得到唯一的针对性增强，从而实现电磁场的高效定向增强。这使我们能够使用低成本且室温下的中红外相机，在单帧内获取分析物沉积在超表面上面的增强吸收特征条形码图像，从而将获取时间缩短了约三个数量级，相对于基于FTIR和EC QCL的测量。消除对可调光源、笨重光谱仪和昂贵低温探测器的需求，我们的方法实现了高通量、迷你化和高度特异的分子诊断，适用于多样化的化学和生物学应用。
引用
@article{arxiv.2511.22452,
title = {Metasurface-Enhanced Mid-Infrared Imaging Spectroscopy with Broadband Quantum Cascade Lasers},
author = {Ivan Sinev and Alessio Cargioli and Diego Piciocchi and Felix Ulrich Brikh and Jerome Faist and Hatice Altug},
journal= {arXiv preprint arXiv:2511.22452},
year = {2025}
}