导读

近日，南京大学物理学院刘辉教授与祝世宁院士团队基于超构微腔热辐射芯片与热成像技术，提出了一种无需复杂红外光谱仪与额外红外光源的新型集成化红外吸收光谱间接探测方法。相关成果以题为“Indirect measurement of infrared absorption spectrum through thermal emission of meta-cavity array”发表在Optics Express光学期刊上，南京大学物理学院博士生褚琼琼为第一作者，刘辉教授为通讯作者。

基于超构微腔阵列与热成像技术实现的新型集成红外吸收光谱探测方法示意图

超构微腔阵列的热辐射信号透过待测有机分子层后，由热像仪探测到并展示为带有有机分子吸收光谱信息的热像图。

研究背景

热辐射调控对于各种红外应用的发展非常重要，如红外辐射源，热光伏、热伪装和辐射冷却等。近年来，超构表面由于其在调控热辐射方面的卓越能力而受到广泛关注，目前已实现在辐射谱、极化、辐射角度以及相干性上的多自由度热辐射调控。通过超构表面阵列，像素化热辐射阵列可以进一步实现多功能红外应用的集成，如光谱学应用。红外光谱仪，如FTIR, 是测量红外吸收光谱的常用方法，通过测量的透射谱T和反射谱R，可得到对应的吸收谱A，A=1-T-R。然而，此方法在测量过程中通常需要复杂的分光光谱设备以及额外的红外光源。根据基尔霍夫定律，材料的辐射率在热平衡条件下可以等效为它们的吸收率。将单个热辐射器作为红外辐射源，可通过测量热辐射光谱来检测物质的特征吸收带，但此方法需要红外光谱仪或简化的光谱设备。因此，实现一种既不需要额外红外光源也无需红外光谱仪的集成紧凑型红外吸收光谱测量技术是非常必要的。

研究亮点

该团队设计并实现了一个由像素化超构微腔阵列组成的热辐射芯片，其辐射波长可以覆盖7.8-12 μm。超构微腔阵列由3×3纳米孔超构表面阵列和FP腔组成，通过连续调控纳米孔尺寸，可以获得连续红移的吸收与辐射峰（图1）。

图1. 热辐射芯片设计及其红外吸收谱

此热辐射芯片可同时用作集成的红外辐射源与光谱芯片，与热成像技术相结合，可以从空间分布的各个超构微腔像素中获得吸收光谱信息，实现无需额外红外光源和红外光谱仪的紧凑型红外吸收光谱测量。红外吸收光谱探测设备主要包含电热台与长波红外热像仪（图2）。首先通过电热台对热辐射芯片进行均匀地加热，然后在有无待测样品时，可以拍摄得到热辐射芯片的两张热像图，二者之间的差异包含了待测样品的红外吸收光谱信息。

图2. 红外吸收光谱探测设备

超构微腔阵列的热辐射信号经过待测样品层后，透过的热辐射能量被热像仪探测到，展示为热像图中的不同辐射温度。各个超构微腔的辐射温度与其热辐射能量成正比。根据两张热像图中各个超构微腔像素的热辐射能量（辐射温度）比值，可以得到待测样品的等效红外吸收光谱。实验中，以PDMS有机分子为例，进行了红外吸收光谱的测量，实验测得的等效红外吸收光谱展现出在9-10 μm与FTIR测得的标准红外吸收光谱一致的吸收波段，验证了此探测方法的可行性（图3）。为了进一步验证此探测方法的普适性，实验上对ETFE，PTFE和PVDC 三种有机分子也进行了红外吸收光谱探测，其结果同样可以展现与标准吸收光谱一致的特征吸收波段。

图3. 有无PDMS分子层时拍摄所得热像图以及热探测所得的PDMS等效红外吸收光谱

论文信息

该项工作展示了一种无需额外红外光源与红外光谱仪的新型集成化红外吸收光谱测量技术，此方法简化了测量系统，大大促进了探测设备的小型化与集成化并降低了运行成本。此外，在测量过程中，待测样品与热辐射芯片无需直接接触，因此此方法是可重复使用的。未来，通过高Q的电介质超构表面阵列可以进一步提高此方法的波长探测分辨率。基于上述优势，这种新颖的集成技术可以在紧凑型红外光谱分析上找到许多潜在应用，如片上微区有机分子传感和环境监测等。

论文链接： https://doi.org/10.1364/OE.504375

作者简介：

刘辉，南京大学物理学院教授，博士生导师

刘辉目前主要担任南京大学固体微结构物理国家重点实验室副主任, 南京大学物理学院副院长, 全国高校电磁学会的常务理事, 光学学报副主编. 主持国家杰出青年基金项目, 基金委基础研究重大研究计划项目, 科技部国家重点研发计划项目课题等. 刘辉教授主要从事光学超构材料光子芯片方面的研究，超构材料变换光学波导，超构微腔的红外吸收与热辐射等。研究成果获得中国光学科技奖一等奖, 王大珩光学奖中青年科技人员, 江苏省青年光学科技奖, 江苏省科学技术奖一等奖, 国家教学成果一等奖。

文章来源于两江科技评论微信公众号。