[0001] 本发明涉及红外传感技术领域，特别是涉及一种复合超构表面红外折射率传感系统。

[0002] 光学折射率传感技术是通过探测目标物质的折射率随其温度、浓度等参量变化并将其映射到目标状态的技术，其具备高灵敏度、无损、实时、免标记等优点，特别适合于微量物质检测，在医疗诊断、环境检测、生物识别等领域具备十分重要的应用价值。红外光学折射率传感的基本原理是通过探测经测量物后透过、反射的红外光谱的吸收、共振峰的峰位移动或强度变化等对折射率进行传感的技术。这要求器件对折射率变化较为敏感，在共振波长处拥有较窄的响应带宽以实现响应谱线强度的迅速变化，且往往需要搭配高性能的红外光谱仪以探测红外光谱的微弱变化。

[0003] 光学折射率传感器的性能极其依赖于传感器的材料和结构。由于在折射率灵敏度和谱宽控制等方面的优势，超构表面传感器成为了一种可行的提升红外折射率传感性能的可靠方式。通过亚波长尺度的微纳结构阵列的引入，器件的光谱响应特征可通过微纳结构的材料，结构，排布等参数的变化得到有效控制，继而实现高效的折射率传感。通过对称性破缺等方式诱导超构表面高品质因子的窄线宽光学共振模式的发生是提高折射率传感性能的有效方法，但采用此种方式的折射率传感器也需要搭配高精度的红外光谱仪来探测红外光谱的精细变化，导致系统复杂度和成本增加。若探测特定谱线的强度变化也会因窄带信号的强度较弱而影响系统的响应率。因此，探寻无需红外光谱仪的高效折射率传感系统方案对解决上述问题具有重要意义。

[0032] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0033] 本发明的目的是提供一种复合超构表面红外折射率传感系统，旨在增加折射率传感系统的探测率。

[0034] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0035] 实施例1

[0036] 如图1所示，本实施例中的复合超构表面红外折射率传感系统，所述系统包括：以垂直向下入射的红外电磁波方向为光轴正方向，沿所述光轴正方向一次设置有第一超构表面4、介质分隔层3、第二超构表面2和红外探测器1。

[0037] 所述第一超构表面4和所述第二超构表面2分别设置在所述介质分隔层3的上表面和下表面。

[0038] 所述红外探测器1设置在所述第二超构表面2聚焦光斑的焦平面上。

[0039] 所述第一超构表面4为谐振型超构表面；所述第二超构表面2为相位型超构表面。

[0040] 具体地，所述第一超构表面4为均匀排布的亚波长周期性微纳结构阵列，微纳结构为金属或介电材料组成，微纳结构的可选材料为金属或介电材料，可选用的金属材料包括：金、银、铜、铝、钛、铬、镍、钨等材料，可选用的介电材料包括硅、锗、二氧化硅、氮化硅、二氧化钛等材料。所述第一超构表面4的具体功能为高效感知环境折射率变化，诱导产生高灵敏度、高光谱分辨率的窄带透过光信号。如图2、图3和图4所示，第一超构表面4阵列结构为优选的圆形、圆环、十字、三角、多边形等结构或以上结构经组合等方式构成的周期性阵列，其厚度为0.5μm～10μm，单元结构周期为0.1μm～10μm。

[0041] 作为一个具体地实施方式，以图3所示结构作为第一超构表面4的实施例，第一超构表面4材料选用低损耗的红外高折射率材料锗以增加对光的操纵能力并维持较低损耗。如图5所示，微纳结构阵列单元尺寸的结构参数如下：单元周期P为0.5μm～10μm，锗方块的边长D为0.5μm～5μm，厚度T1为0.5μm～5μm。边长D应小于周期P，为方便加工，二者差值应在
100nm以上以保证一定的间隙宽度。单元结构的尺寸一般须小于工作波长。

[0042] 第一超构表面4的功能是高效感知并传导外部环境折射率变化，通过超构表面激发的等离激元谐振、法诺共振、连续态中的束缚态效应(BICs)等高品质因子光学共振模式诱导产生高灵敏度、高光谱分辨率的窄带透射光来实现，将折射率变化转化为窄带透射光的谐振波长变化。光学共振模式的产生、耦合由微纳结构的结构、形状、材料、排列方式等参数进行控制。

[0043] 折射率传感器性能可由波长灵敏度S和性能品质因数FOM两个参数表征，二者可由以下等式表示：

[0044]

[0045] FOM＝S/FWHM；

[0046] 其中，λ为响应波长，n为环境折射率，FWHM为谐振峰的半高宽。

[0047] 提高折射率传感性能需要增大波长灵敏度S，减小谐振峰的半高宽FWHM。环境折射率的变化实质上是改变了纳米柱阵列顶端的折射率及与其间隙的折射率差值，继而对诱导产生的电磁谐振模式施加扰动，造成谐振峰波长的移动。因此，一种提高S的方式是增加共振模泄漏到间隙的局域电磁场的强度来扩大外部扰动对谐振的影响。而由于高阶电磁模往往具备更高的参数变化敏感性，因此，提高S的另一种方式是提高光学共振模的阶数。光学共振模式的品质因子Q决定了其FWHM，Q可由下式表示：

[0048] 1/Q＝1/Qr+1/Qin；

[0049] 其中，Qr和Qin分别为辐射和非辐射的Q因子。

[0050] 图6展示了实施例的透射谱线与环境折射率的关系。随着环境折射率的增加，透射光的光谱逐渐红移，透过光频率与折射率存在正相关的映射关系，通过探测透过光信号的频率变化即可得到折射率信息。

[0051] 所述介质分隔层3为由红外高透过率材料组成的基板。可选材料包括硅、锗、二氧化硅、硫化锌、硒化锌、氟化钙、氟化镁、氟化钡、氟化锂等，其厚度为100μm～1000μm。

[0052] 介质层3在系统中承担光传输和结构支撑的功能。首先，介质层3起光学间隔作用，避免两层功能相异的超构表面发生模式耦合，使其光学性能互不干扰。其次，介质层具备高透过率的性质，减少光在其中传输的损耗。最后，具备一定厚度的介质分隔层3作为器件的支撑层。第一超构表面4和第二超构表面2组成的光学薄膜分别置于其上、下两个表面。

[0053] 所述第二超构表面2为优选的非均匀排布的亚波长微纳结构阵列，按照优选的相位梯度函数规律排布在介质层的下表面，设置为多焦点的超构透镜，承担聚焦和光谱分离的作用，将经第一超构表面4透过的波长不同的窄谱光信号聚焦在探测器焦平面的不同位置上。所述第二超构表面2由优选的红外高透过率材料组成，为降低加工难度，减少微纳加工程序步骤，其材料可与介质层材料一致。考虑光学调制能力，优选材料为高折射率的硅、锗等，其厚度为0.5μm～10μm。

[0054] 所述第二超构表面2其可选材料类型与第一超构表面4一致。所述第二超构表面2阵列单元结构为优选的圆形、圆环、十字、三角、多边形等结构或以上结构经组合等方式构成。

[0055] 以图7所示结构作为第二超构表面2的实施例，第二超构表面2材料选用高折射率介质锗。第二超构表面2由超构单元按照一定次序排列而成。超构单元微纳结构尺寸的结构参数如下：单元周期P为0.5μm～10μm，锗矩形柱的长边长L为2μm～5μm，短边长厚度W为0.5μm～2μm，高度T2为2μm～10μm。单元结构的尺寸一般须小于工作波长，高度的增加有利于增加结构的光学调制能力，但需要保证透过效率通过改变超构单元的尺寸和旋转角，通过其传输相位和几何相位的协同控制，在实现0‑2π相位全覆盖的同时，满足波长和相位的映射关系。

[0056] 第二超构表面2由相对独立的相位调控超构单元按照一定次序排列而成。用于聚焦的超构透镜的相位函数可表示为：

[0057]

[0058] 其中，f是透镜的焦距，r是透镜上一点到其中心的距离，

[0059]

[0060] 考虑将波长为λi的光聚焦在焦平面位置为(xi，yi)的情况，加入波长和位置信息的偏移量，上式变为：

[0061]

[0062] 第二超构表面2构成多焦点超构透镜，通过超构透镜的色散控制功能，控制色散光聚焦的位置，将不同波长的光信号聚焦在同一焦平面的不同位置上，通过探测焦平面上红外探测器1各个像元的接收光强的强度变化即可感知接受光的频率及强度，通过已知的第一超构表面4与折射率的映射关系对折射率进行高效传感。

[0063] 所述红外探测器1为红外面阵探测器，设置在第二超构表面2构成的多焦点超构透镜的焦平面上，起接受光信号的位置和强度的作用，像元大小为10μm～100μm。

[0064] 本发明解决了现有超构表面折射率传感技术中需要光谱仪探测红外光谱及面对窄带光信号强度低等问题。所述系统沿光轴正方向依次包括：第一超构表面、介质分隔层、第二超构表面及红外探测器。所述第一超构表面为周期性亚波长谐振器阵列，将折射率信息转化为波长相关的窄带光谱信息；所述第二超构表面为多焦点超构透镜，用于窄谱光信号的聚焦及分光谱焦点分离。本发明将目标折射率信息经由两层超构表面转化为包含位置信息的强度信息，无须探测红外光谱强度变化，即可直接、高效传感折射率变化，降低了系统复杂度，同时信号聚焦增加了系统的探测率，提高了整体传感质量。

[0065] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0066] 1、通过在介质分隔层的上、下表面分别设置超构表面的方式，利用上表面高品质因子的谐振型超构表面提高折射率传感性能，通过下表面相位型超构表面构成的多焦点超构透镜实现分光谱聚焦，提高探测信号的强度和信噪比，解决折射率传感中光谱分辨率和信号强度相互制约的问题。

[0067] 2、折射率信息可通过反演红外探测器在焦平面上的接受信号的位置及强度得到。因此，本发明可直接对环境折射率进行传感，相对本领域内的其余超构表面折射率传感器，无须红外光谱探测器，可降低系统复杂度和制造成本。

[0068] 3、本发明为同轴结构，具备较强的系统稳定性，此结构设计方式降低了光学系统的装调难度，提升了其在复杂环境中的抗干扰水平。

[0069] 4、本发明所述复合超构表面器件为平面光学元件，可独立封装，作为现有红外探测器的加装组件提升红外探测性能，也可直接集成在探测器上，具备集成制造、批量生产等优势。

[0070] 以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

[0071] 本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。