近日，河南师范大学物理学院路海课题组提出了基于一种消光特性分析的模块化超表面设计方案，通过对角线结构的对称性破缺在金属-介质-金属（MDM）结构中协同产生准连续谱束缚态（qBIC）和双重过耦合谐振，实现宽频表面增强红外吸收光谱传感的同时，为痕量传感和基线矫正提供了高品质因子内置基线。相关成果以“Quasi-Bound States in the Continuum Calibrated Broadband Metasurface Enhanced Mid-Infrared Absorption Spectroscopy”为题发表在《Laser & Photonics Reviews》[1]。河南省光电子技术及先进制造工程研究中心董世青博士为第一作者，朱遵略教授和路海教授为论文共同通讯作者。
分子红外吸收特征谱线离散地分布在中红外频段内，实现宽频表面增强红外吸收光谱（SEIRA）有助于提升分子检测的准确性和超表面基底的通用性，在物理、生化检测、医学等领域意义重大。具有人工设计结构的红外超表面为调控传感器性能提供了灵活维度，正成为新一代宽带SEIRAS传感基底。其中，过耦合（over-coupled）超表面相较于欠耦合（under-coupled）超表面，能以更简单的制备工艺实现更宽的传感带宽。然而，过耦合超表面在宽带SEIRA传感中面临若干技术瓶颈，包括基线校准、时域耦合模分析（TCMT）在宽带传感中的局限性，以及传感频段的进一步提升需求。
本文提出一种基于耦合体系消光特性的模块化设计超表面，通过qBIC与双重OC共振，为高Q值痕量检测和宽带SEIRA传感提供了新方案（图1）。
图1.宽带痕量检测与样品识别的超表面示意图。
创新性主要体现在以下三个方面：
1.相较于以往基于TCMT拟合的理论方法，本文提出的消光特性分析提供了色散数值解，可指导双OC共振传感器的模块化设计，并能定量评估SEIRA传感中的电磁诱导吸收效应。
图2.超表面的模块化设计。（A）超表面示意图；（B-D）超表面水平结构调谐了qBIC和双LSPR共振；（E）超表面纵向结构调节消光特性及其耦合模式；（F）基于消光特性的超表面多极分析；（G）qBIC和OC共振与结构参数的低串扰调节。
2.中红外痕量传感研究较为罕见。本研究将qBIC共振调谐至红外透明波段（2000-1800 cm⁻¹），实现了低串扰的痕量传感；同时在SEIRA传感波段起始处引入高Q值qBIC，为宽频信号提取的基线校准提供了自校准参考，从而避免宽带信号提取过程中出现假负峰或放大失真。
图3.痕量检测与基线校准。(A) PMMA宽带痕量检测示意图；(B) PMMA振动谱带的传感光谱与识别结果；(C)基于指数拟合的表面灵敏度及BIC共振的Q因子（实验重复次数：n=3）；(D)不同PMMA厚度下OC谐振峰的传感消光特性；(E)校准前后信号提取效果对比；(F)校准前后增强因子对比。
3.本研究首次利用双OC共振实现了1800 cm⁻¹至1000 cm⁻¹光谱范围内的宽带SEIRA传感。与单共振OC传感器相比，双OC共振传感器展现出更高的最大增强因子(100-20)，并在宽频范围内保持更大的平均信号增强强度，为微塑料及生物标志物识别提供了实用化平台。
图4.不同PMMA薄膜厚度下的宽带SEIRAS传感(A)传感光谱与校准基线。同一超表面上多个位置测得的传感光谱，以test 1到3表示。(B)不同PMMA厚度下超表面的增强吸收与增强因子，灰色区域表示增强因子的误差。
本文提出一种模块化超表面设计，同时支持qBIC共振与双OC共振，从而集成了两种优势传感功能。利用qBIC共振对痕量分析物的高灵敏度响应（中红外表面灵敏度达0.79 nm/nm），并可作为精准参考，校准SEIRAS的基线漂移。其次，通过双OC共振，在1750-1000 cm⁻¹波段实现连续信号增强，其综合性能与适用性优于现有单一OC共振超表面。
该研究为宽带表面增强红外吸收光谱（SEIRAS）传感提供了一种高效设计方法，未来研究中设计多种带宽的超表面阵列有望实现中红外全带宽的连续增强，进一步提升其在微塑料和生物标志物识别领域展现出重要应用潜力。
本研究受国家自然科学基金、河南省自然科学基金等项目的资助，并由河南省光电子技术及先进制造工程研究中心提供实验支持。
参考文献
[1] S. Q. Dong, et al.Quasi-Bound States in the Continuum Calibrated Broadband Metasurface Enhanced Mid-Infrared Absorption Spectroscopy. Laser & Photonics Reviews, e02667. (2026).
DOI：https://doi.org/10.1002/lpor.202502667
供稿：课题组
