賓夕法尼亞大學(xué)Cherie R. Kagan團(tuán)隊(duì)提出了一種超越傳統(tǒng)比色法的新型光學(xué)傳感策略，他們通過設(shè)計(jì)具有特定結(jié)構(gòu)各向異性的TiO?介電超構(gòu)表面，并利用其光學(xué)偏振態(tài)的變化作為敏感探針，來實(shí)現(xiàn)高靈敏度的折射率傳感。為實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)，他們開發(fā)了一種基于納米晶墨水的單步納米壓印制造工藝，該工藝能夠高效、可擴(kuò)展地制備所需的納米結(jié)構(gòu)。在實(shí)現(xiàn)路徑上，團(tuán)隊(duì)通過精確表征超構(gòu)表面的結(jié)構(gòu)并系統(tǒng)測量其在不同折射率環(huán)境下的透射與偏振橢圓光譜，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性；他們不僅成功演示了在單色光照明下的濕度傳感，更證明了即使超構(gòu)表面的共振波長移動極小，基于偏振態(tài)的傳感模式依然有效，這為開發(fā)具有更高信噪比的小型化光學(xué)傳感器開辟了新途徑。

研究成果于2025年11月7日以題為“State-of-Polarization-Based Refractive Index Sensing Using Dielectric Metasurfaces”發(fā)表在《Nano Letters》上。

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圖1：(a)直接納米壓印制造超構(gòu)表面的工藝流程示意圖。(b)基于偏振態(tài)的折射率傳感原理示意圖。

圖2：(a)圓形納米柱、(b) 橢圓形納米柱和 (c) 線-空光柵超構(gòu)表面的俯視掃描電子顯微鏡圖像，這些圖像顯示了這些幾何結(jié)構(gòu)不斷增強(qiáng)的各向異性。(d)圓形納米柱、(e) 橢圓形納米柱和 (f) 線-空光柵的截面掃描電子顯微鏡圖像，顯示了這些超構(gòu)表面的結(jié)構(gòu)特征高度和波導(dǎo)厚度，其中虛線標(biāo)示了波導(dǎo)與襯底之間的界面。

圖3：對(a)圓形納米柱、(b)橢圓形納米柱和(c)線-空光柵超構(gòu)表面的有限差分時(shí)域法模擬傳輸光譜與相位圖，模擬中采用與制備樣品尺寸匹配的理想化幾何結(jié)構(gòu)，并以45°線偏振光垂直入射。(d)圓形納米柱、(e) 橢圓形納米柱和 (f) 線-空光柵超構(gòu)表面的實(shí)驗(yàn)測量傳輸光譜與橢圓率光譜，其中傳輸光譜是在非偏振光垂直入射條件下使用光纖耦合紫外-可見光譜儀測得。

圖4：(a)在殼聚糖涂覆的玻璃襯底上打印的光柵超構(gòu)表面在干燥（1%相對濕度）和潮濕（85%相對濕度）環(huán)境下的照片、示意圖以及(b)橢圓率光譜。(c)在空氣濕度與干燥和潮濕環(huán)境間循環(huán)切換時(shí)，在單一波長λ=771nm處監(jiān)測到的橢圓率瞬態(tài)特性。(d)假設(shè)一個(gè)隨濕度增加而發(fā)生藍(lán)移的洛倫茲共振峰，將橢圓率變化量Δχ模擬為共振峰偏移量(Δλ)和監(jiān)測波長(λ_m)的函數(shù)，其中兩者均以共振峰展寬(γ)為基準(zhǔn)進(jìn)行了歸一化。來自圖(b)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用“X”符號標(biāo)出。(e)在給定監(jiān)測波長λ_m下，共振峰展寬(γ)增大對Δχ的影響。

文獻(xiàn)來源

Kramadhati, Shobhita; Mallavarapu, Akhila; Kagan, Cherie R. (1753). State-of-Polarization-Based Refractive Index Sensing Using Dielectric Metasurfaces. ACS Publications. Collection. DOI：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c04740

來源：超表面光學(xué)