一、导读
多路复用的分子指纹传感技术凭借其较宽的频谱覆盖与非凡的灵敏度为增强宽带太赫兹指纹传感提供了新的可能。然而，传统的像素化指纹超传感器要求制备一系列谐振单元，这一需求不可避免地导致加工成本较高与实际检测过程耗时的问题，严重限制了传感器在高效探测分子指纹方面的实际应用。
2024年12月，福建省太赫兹功能器件与智能传感重点实验室在国际知名光学期刊《Optics and Laser Technology》（中科院2区TOP，IF:4.6）发表了题为“Distance-multiplexed sensor with metal-dielectric grating composite structure for terahertz sensing enhancement”的论文。该论文提出了一种金属-介质光栅复合结构的距离复用传感器，利用顶层金属超材料激发的局域表面等离子体激元(LSPP)模式将电场局域在金属超材料与介质光栅之间的极窄间隙内。通过实施距离复用策略控制金属与介质光栅之间的距离，调整了电场分布，实现了共振峰对较宽的太赫兹频段的覆盖，从而达到分子指纹宽带信号显著增强的效果。实验室2023级硕士研究生毛高晗为本论文的第一作者，实验室主任钟舜聪教授和实验室黄异老师是本文的共同通讯作者。
二、内容简介
本研究提出了一种金属-介质光栅复合结构的距离复用指纹传感器对局域电场进行调控从而增强分子指纹的传感方案。该传感器由阵列的顶层十字孔径金属超材料及介电光栅组合而成，能量被集中在金属超材料与介电光栅之间的间隙中。通过调整间隙g大小灵活地实现了谐振峰的动态调节用于检测乳糖宽频分子指纹，达到令共振峰在0.47 THz至0.56 THz的宽频范围内移动的效果。
Fig. 1 Schematic diagram of metal-dielectric grating composite structure.
Fig. 2 a The absolute value distribution of the electric field in the x-z plane of the metasurface at resonance.b The normalized electric field integral on the grating surface,whereI0is the energy atg=40μm.c The transmission spectrum of the sensor at differentgvalues.d The transmission spectrum atg= 20 μm.e TheQvalue of the transmission spectrum at differentgvalues.
仿真结果表明其间隙内的电磁场在乳糖特征吸收峰处显著增强，进而允许增强分子的指纹谱特征。
Fig. 3 a The detection principle of distance-multiplexed sensor.b Absolute value distribution of electric field (top) and magnetic field (bottom) of the metasurface at 0.53 THz with different spacingg.
通过检索乳糖薄膜涂覆前后的透射光谱包络线得到乳糖在0.53 THz处的最大吸收率31.08%，并与金属基底上样品的参考吸收光谱相比，增强了约70倍。同时，在0.47 THz至0.56 THz这一宽频段的吸光度增强因子均大于12.3 dB。
Fig. 4 a The transmission spectra of 10 μm thick lactose film and uncoated lactose.b The absorption spectra of lactose.cThe broadband absorbance enhancement factor.
三、总结
论文提出了一种用于增强宽带太赫兹指纹传感的金属-介质光栅复合传感器。该设计巧妙地利用顶层金属超材料激发的局域表面等离子体激元（LSPP）模式，将电磁场集中于金属与介质光栅间的微小空隙中。通过精细的调节金属和介质光栅的间隔，我们不仅直接影响分析物与局域场的接触体积，极大地提高了检测灵敏性，还灵活地实现了谐振峰的动态调节用于检测乳糖宽频分子指纹。值得一提的是，借助距复用的方式，仅需微调50 μm的缝隙大小，就能实现约0.09太赫兹的宽带检测能力，与在金属基底上检测的传感方法相比，该传感器最大增强高达70倍。所讨论的单像素距离复用传感器在增强痕量分析物宽带太赫兹指纹方面具有巨大的潜能。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2024.112245
