宾夕法尼亚大学：研究介电超构表面的偏振态折射率传感

宾夕法尼亚大学Cherie R. Kagan团队提出了一种超越传统比色法的新型光学传感策略，他们通过设计具有特定结构各向异性的TiO₂介电超构表面，并利用其光学偏振态的变化作为敏感探针，来实现高灵敏度的折射率传感。为实现该设计，他们开发了一种基于纳米晶墨水的单步纳米压印制造工艺，该工艺能够高效、可扩展地制备所需的纳米结构。在实现路径上，团队通过精确表征超构表面的结构并系统测量其在不同折射率环境下的透射与偏振椭圆光谱，实验验证了该方法的可行性；他们不仅成功演示了在单色光照明下的湿度传感，更证明了即使超构表面的共振波长移动极小，基于偏振态的传感模式依然有效，这为开发具有更高信噪比的小型化光学传感器开辟了新途径。

研究成果于2025年11月7日以题为“State-of-Polarization-Based Refractive Index Sensing Using Dielectric Metasurfaces”发表在《Nano Letters》上。

图文速览

图1：(a)直接纳米压印制造超构表面的工艺流程示意图。(b)基于偏振态的折射率传感原理示意图。

图2：(a)圆形纳米柱、(b) 椭圆形纳米柱和 (c) 线-空光栅超构表面的俯视扫描电子显微镜图像，这些图像显示了这些几何结构不断增强的各向异性。(d)圆形纳米柱、(e) 椭圆形纳米柱和 (f) 线-空光栅的截面扫描电子显微镜图像，显示了这些超构表面的结构特征高度和波导厚度，其中虚线标示了波导与衬底之间的界面。

图3：对(a)圆形纳米柱、(b)椭圆形纳米柱和(c)线-空光栅超构表面的有限差分时域法模拟传输光谱与相位图，模拟中采用与制备样品尺寸匹配的理想化几何结构，并以45°线偏振光垂直入射。(d)圆形纳米柱、(e) 椭圆形纳米柱和 (f) 线-空光栅超构表面的实验测量传输光谱与椭圆率光谱，其中传输光谱是在非偏振光垂直入射条件下使用光纤耦合紫外-可见光谱仪测得。

图4：(a)在壳聚糖涂覆的玻璃衬底上打印的光栅超构表面在干燥（1%相对湿度）和潮湿（85%相对湿度）环境下的照片、示意图以及(b)椭圆率光谱。(c)在空气湿度与干燥和潮湿环境间循环切换时，在单一波长λ=771nm处监测到的椭圆率瞬态特性。(d)假设一个随湿度增加而发生蓝移的洛伦兹共振峰，将椭圆率变化量Δχ模拟为共振峰偏移量(Δλ)和监测波长(λ_m)的函数，其中两者均以共振峰展宽(γ)为基准进行了归一化。来自图(b)的实验数据用“X”符号标出。(e)在给定监测波长λ_m下，共振峰展宽(γ)增大对Δχ的影响。

文献来源

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

来源：超表面光学