近日，beat365官方网站重離子物理研究所顔學慶教授、常超研究員與軍事科學院國防科技創新研究院婁菁助理研究員、新加坡國立大學仇成偉教授等合作，利用太赫茲近場掃描探針系統，結合時域有限方法的仿真模拟，提出了基于飛秒激光輻照超表面耦合表面波的高靈敏集成化傳感新策略，從而實現單一元器件的折射率傳感與指紋譜識别的功能化集成。該策略為解決提升傳感器靈敏度限制提供新的思路，擴寬現有超表面耦合表面波研究範圍，避免編碼超表面指紋譜識别工作帶來的複雜設計與集成限制。2024年1月5日，相關工作以“基于超表面激發表面波的先進太赫茲折射率傳感與指紋識别”（Advanced Terahertz Refractive Sensingand Fingerprint Recognitionthrough Metasurface-Excited Surface Waves）為題，在線發表于《先進材料》（Advanced Materials）。

生物學檢測和傳感與人們的生活和健康密切相關，針對特定生物分子的高靈敏傳感器為生物信息跟蹤與生理學過程的判斷提供了強有力的檢測途徑和依據，是生理學研究及人體健康檢測中不可或缺的重要手段之一。随着人們對生物檢測性能要求的進一步提高，一系列光學傳感器應運而生。然而傳統的超表面傳感思路更傾向于依賴二維周期結構的單一諧振模式實現待測物信息的采集和積累，并借助透射或反射譜的變化體現傳感。因此，一方面人們隻能在二維結構内提升Q因子，電磁場由于被局域在結構内部而限制了獲取物質信息的方式和提升物質相互作用的途徑；另一方面基于超表面的指紋譜識别工作往往基于一系列編碼超表面的傳感策略，對樣品加工和器件集成帶來一系列限制。

基于此，研究人員借助表面波在等離子體金屬表面的長程傳播特性，設計了用于耦合轉化空間傳播波為表面波的太赫茲超表面器件。當太赫茲飛秒激光光斑垂直輻照在器件左側時，通過合理排布超表面元原子的Pancharatnam–Berry（PB）相位，則能夠在器件表面成功激發向右側傳播的太赫茲表面波。當表面波在器件表面傳輸時，則能與傳播環境中的待測物持續作用，不斷收集待測物信息并積累在表面波的傳輸振幅與相位中（Fig.1）。進一步，通過合理設計用于支持表面波傳播的等離子體金屬波導，表面波在長程傳輸的過程中可以從底部的空氣孔中洩露，并被太赫茲近場探針探測，從而得到反映待測物情況的表面波信息。

圖1基于超表面耦合表面波實現高靈敏折射率傳感與指紋譜識别示意圖

通過在元器件表面鋪覆具有特定性質的待測物層，可以分别從折射率實部和虛部影響表面波的傳播情況。分析物的折射率實部能夠對原有等離子體波導單元的色散曲線産生移動，使得相同頻率表面波傳播時的等效波矢發生變化。因此，待測物折射率實部的存在使得相同的傳播距離下，表面波的傳播相位發生改變；另一方面，分析物的折射率虛部對應具有特定指紋頻率的振動模式，因而當不同頻率的表面波在傳播過程中，頻率與待測物指紋頻率匹配的部分将不斷與待測物發生共振損耗，在表面波傳輸曲線相應的部分也會存在明顯下降。

圖2通過檢測表面波的傳輸相位和傳輸振幅實現待測物折射率傳感與指紋識别

本工作深度挖掘了表面波長程傳播特性的傳感潛力、拓寬超表面激發片上表面波的應用範圍，由于采用了非傳統透射或反射式的傳感方式，因而能夠通過延長表面波傳播距離的方式避免器件靈敏度的提升限制。由于充分利用表面波的相位維度，因而該策略能夠從傳播相位和傳播振幅兩個角度獨立的探測待測物的折射率傳感與指紋譜識别。另外，基于器件在特定波段内連續激發表面波的性能，因而實現了緊湊單元組的連續指紋譜識别，從而避免了編碼超表面策略中準連續譜識别的複雜設計與集成限制。

beat365官方网站重離子物理研究所張澤琰為第一作者，常超、顔學慶、婁菁、仇成偉為文章的共同通訊作者。這項工作得到了國家自然科學基金委、科技部與科學探索獎等經費支持。

原文鍊接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202308453