A Miniaturized Mid-Infrared Spectrometer Enabled by Hybrid Encoding of q‑BIC Thermal Emitters with Uncooled Imaging
本文提出了一种紧凑且具有成本效益的中红外光谱仪，该光谱仪利用热可调控 q-BIC 超表面发射器与非制冷热成像仪的混合编码技术，实现了用于多种化学分析任务的高分辨率分子指纹识别。
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光携带著一种用热量书写的秘密语言。每种高于绝对零度的物体都会辐射能量，但对于大多数材料而言，这种光芒只是宽泛且无特征的色彩涂抹，难以揭示物体的成分。为了读取物质特定的化学特征，科学家们会寻找一种被称为中红外线的窄波段光。在这个范围内，分子以独特的模式振动，像指纹一样吸收特定颜色的光。这种通过中红外光芒识别化学物质的能力，对于从检测空气中的污染物到医院诊断疾病等各个领域都至关重要。然而，几十年来，使用这项技术一直是大型实验室的特权。用于读取这些指纹的机器通常体积庞大、价格昂贵，且往往需要保持在极低温度下才能工作，这使得它们无法被带入工厂或偏远的野外现场。
中国暨南大学的一个研究团队现在研制出了一种设备，将这项强大的技术缩小到了可以放在办公桌上、甚至可能装进口袋的大小。他们通过改变科学家对光谱学的思考方式实现了这一目标。他们不再尝试在光发射后对其进行过滤（这需要复杂的透镜和探测器），而是对光源本身进行了工程化设计。他们制造了一个微小的芯片，使其充当热发射器，但有一个特别之处：它可以被调节到发出非常特定、窄频的颜色。通过将这种工程化芯片与一种标准的、无需冷却的热成像仪（类似于用于夜视或建筑检查的那种）相结合，他们构建了一个体积小巧、成本低廉且不需要低温运行的光谱仪。
他们发明的核心是一个由锗制成的具有微观形状图案的平面芯片，这种材料在加热时会改变其光学特性。研究人员设计了这些形状，以捕捉光线并产生高质量的共振——即光在逃逸前发生强烈振动的状态。这种被称为“连续体准束缚态”的设计，使芯片能够发出极窄波段的颜色，而不是宽阔的色彩弥散。为了获得覆盖整个分析所需的中红外范围所需的足够多颜色，团队采用了一种巧妙的两步策略。首先，他们在芯片上构建了八个不同的物理通道，每个通道的大小略有不同，以发射不同的基础颜色。其次，他们利用了锗在温度变化时折射率会发生变化的特性。通过将芯片加热到五种不同的温度，他们可以使八个通道发出的颜色发生轻微偏移。这种混合方法使得他们仅通过八个物理结构就能生成四十个不同的窄带颜色通道，从而创造出一个密集的中红外光调色板。
为了证明该系统的有效性，研究人员将芯片置于一台无需冷却的热成像仪前，并将其加热到不同温度。随着芯片发光，摄像机捕捉到了来自四十个通道的每一路光强。当他们在芯片前放置一个样本时，样本会吸收特定颜色的光，从而在摄像机的图像上留下独特的明暗图案。这个图案就像一个代码。通过使用数学重建方法，团队解码了摄像机的热图像，从而揭示了穿过样本的精确光谱。他们通过创建两个峰值非常接近的合成光谱，测试了系统区分颜色的能力。结果发现，如果两个峰值之间的距离至少为100纳米，系统就能可靠地分离它们，这一分辨率足以识别许多常见化学物质。
真正的考验出现在他们将该设备应用于实际材料时。他们成功地识别了七种不同类型的塑料（如聚丙烯和聚氯乙烯），完全是通过这些物质的中红外指纹进行精准区分的。他们还测量了一种化学溶液的浓度，发现该设备能够检测到仅为百分之零点几的浓度变化。或许最令人印象深刻的是，他们利用该光谱仪实时观察了一场化学反应。他们监测了聚合物前驱体向成品塑料薄膜的转化过程，追踪了在材料加热过程中新分子键的形成。该设备捕捉到了特定化学特征的逐渐显现，证明了它可以在无需停止或取样的情况下，追踪制造工艺的进展。
这项工作表明，高分辨率的中红外光谱学并不需要笨重且需深低温冷却的机器。通过将光谱操纵转移到光源端并使用混合编码策略，研究人员创造了一个既紧凑又具成本效益的系统。该设备依赖于现有的、广泛可用且价格低廉的标准热成像技术，但通过工程化芯片增加了化学智能层。这种方法具有可扩展性，这意味着相同的原理可以用于创建更密集的传感器阵列，以执行更复杂的成像任务。通过使使用小型、无需冷却的设备来读取分子指纹成为可能，这项研究为将先进的化学分析从实验室带入工程师、医生和环境监测人员手中打开了大门，而这些人正是最需要这项技术的人。
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