山大杨家跃&山师韩张华ACS Photonics：超薄双带极化超表面实现稳健远红外探测

近日，山东大学前沿交叉科学青岛研究院杨家跃教授课题组联合山东师范大学韩张华教授在纳米光子学领域取得进展，相关成果以“Ultrathin Dual-Band Polaritonic Metasurface Enabling Robust Far-Infrared Detection”为题，发表于ACS Photonics（https://doi.org/10.1021/acsphotonics.5c02761）。该研究提出一种以超薄元原子结构实现远红外波段共振的策略，打破长共振波长伴随高元原子厚度的固有矛盾；实验结果显示，采用 h = 70 nm 的元原子即可在 λ = 21.9 μm 处实现共振（h/λ = 0.32%），尺寸要求显著低于既往方案。山东大学前沿交叉科学青岛研究院22级博士研究生成涛为论文第一作者，杨家跃教授与韩张华教授为论文通讯作者，山东大学为第一完成单位。

研究背景:

远红外波段（FIR，>15 μm）包含丰富的分子指纹信息，并因穿透深度大、光子能量低而适用于医学、传感与能源技术中的安全、无创应用。超表面通过将电磁场限制在亚波长单元内并增强光—物质相互作用，推动了红外器件向芯片集成、微型化与超薄化发展。然而，将可调谐光学共振进一步扩展到更长红外波长面临根本性瓶颈：受衍射极限与材料在该波段本征吸收弱（色散弱）的共同制约，为实现高效光子—材料耦合往往需要更长的有效光程，进而不可避免地推高结构尺寸。现有方案通常依赖多层腔结构或高元原子高度超表面，这不仅提升制备难度，也增加了成本。声子极化激元平台为缓解上述矛盾提供了可行路径：在材料的Reststrahlen 带内，强光子—声子耦合可激发表面声子极化激元（SPhPs），并通过超表面工程实现局域化，形成局域表面声子极化激元（LSPhPs）。此类结构即使元原子高度仅为百纳米量级，也可在约10 μm 波段实现强共振吸收。尽管如此，由于多数声子极化激元材料的 Reststrahlen 带通常止于~15 μm 以下，将共振波长进一步推向更长的远红外范围仍面临显著挑战。

文章亮点：

• 模拟与实验一致表明：当元原子高度h = 70 nm 时，SPhPs 在λ = 21.9 μm 处出现显著共振；对应的相对厚度 h/λ × 100% = 0.32%，显著低于既有红外调制的比例值。

• 该超表面LSPhPs 谐振器表现出角色散抑制与高品质因数（Q ≈ 100）。

• 本研究首次展示了可将探测/工作波段拓展至20 μm 以上的声子极化激元平台。

• 在聚合物厚度解析与聚合物类型区分方面，该超薄超表面相较于厚型结构表现更优。

文章概要：

研究团队提出一种基于SPhPs 与双Reststrahlen 带的超薄SrTiO3/Ge 混合超表面，用于突破典型远红外（FIR）器件对厚度的依赖。全波数值模拟表明：以SrTiO3作为 SPhPs 传输介质、以高折射率 Ge 作为极化近场扰动元原子，可在超薄几何下实现强共振与高效耦合。值得注意的是，两个 Reststrahlen 带中的主吸收模式A与A'的|Ez|空间分布相对于位移电流Jd 的方向呈现镜像式反转。其根本原因在于：模式A与A'的主导响应在两Reststrahlen带中发生了感性—容性特征的互换，从而引起Jd的相位偏移，并使x–z平面内位移电流回路的环流方向随之反向。与此同时，两条能带之间介电函数实部ε′ 的色散斜率以及虚部 ε″（损耗）幅值存在显著差异，这些差异会改变SPhPs 的传播特性与等效边界条件，进而重塑近场能量流的拓扑结构，最终导致所观测到的回路电流方向反转现象。

图1 声子极化超表面的设计思路

全波数值模拟与 DNN 计算一致表明，所设计的超薄混合介电超表面实现了目前已报道结构中最低的h/λ 比值。此外，该结构在两个Reststrahlen 带内均可激发强烈的LSPhPs 共振，并呈现显著的近场增强能力。以气体检测为例，穿透深度d₁（定义为电场强度由峰值100% 衰减至10% 所对应的距离）是衡量灵敏度的关键指标。模式A 的d₁ 可达668 nm，约为既有报道超表面的3倍，且明显大于模式 A′（554 nm）。在折射率传感场景中，检测深度d₂（电场在空气中衰减至1/e 的距离）同样至关重要。模式A 的d₂ 达到7750 nm，几乎为文献报道值的3倍；而模式 A′ 不仅具有更强的局域场强，其d₂ 进一步提升至 10846 nm，从而显著增强了检测灵敏度。

图2 双Reststrahlen带中LSPhP的吸收与场特性

光谱椭偏仪可测得椭偏参数（Ψ、Δ），从而同时获取反射振幅比与相位信息。与裸SrTiO₃ 衬底相比，引入超表面后Ψ 与Δ 整体降低：接近0的区域被明显拓展，且等高线图中的颜色对比度随入射角增大以及超原子高度增加而更加显著。在上述增强条件下，Ψ 逐渐逼近45°，Δ 则趋近−π/2。根据式 (S3)，此时TE 与TM 的吸收振幅趋于相当，二者相位差接近90°，从而显著削弱了两种偏振响应的差异。进一步，我们提取了锗层的等效复介电函数。结果表明，随着超原子高度增加，ε′（实部）降低而ε″（虚部）升高。在LSPhPs 共振波长附近，ε′ 会出现显著下探，同时ε″ 相应增大，且这两种变化在更高结构高度时更为明显。更负的ε′ 可归因于LSPhPs 诱导的等效非线性极化随高度增强；而ε″ 的升高则主要源于锗层变厚后非辐射损耗的放大。

图3 SrTiO3/Ge混合超表面的椭偏实验表征

最后，基于光谱特性，我们开展了聚合物检测的概念验证：远红外模式实现了高效的厚度传感与材料识别，且更薄的超表面表现出更优性能。总体而言，本工作展示了在长波长共振与超薄器件几何之间实现协同的设计路径，为 FIR 领域高效、超薄超表面器件的开发提供了新的思路。

图4基于超薄超表面的多聚物探测实验