折射率檢測在材料識別、質量控制、化學分析和環境監測等領域具有重要的意義。傳統的光學電磁器件受限于它們的物理尺寸和結構，難以滿足日益增長的集成化、高性能需求。在這一背景下，超構表面（Metasurface）作為一種新型的電磁波控制技術，已在過去十余年中引起了科研人員廣泛的研究興趣。超構表面折射率傳感器具有高度可調性和靈活性，能夠實現精準的折射率調控，為高靈敏度傳感應用提供了卓越的性能。然而，金屬材料超構表面器件由于其固有的歐姆損耗難以獲得高品質因子的檢測峰，而介電超構表面又不易獲得高靈敏度，這都在一定程度上限制了超構表面傳感器的進一步應用。
據麥姆斯咨詢報道，中科院長春光機所譚鑫研究員團隊提出了一種優化的納米棒設計方案：利用不對稱結構的引入將超構表面的連續域束縛態模式轉化為準連續域束縛態模式，激發了雙重高品質因子、高檢測靈敏度的吸收峰，同時進行了近紅外光譜實驗驗證。研究團隊對納米結構的模型進行了充分的理論和仿真分析，且該器件在折射率傳感實驗中的性能表現與預期符合較好，為提出的設計、制備以及實驗方法提供了有力支持。
研究成果以“Dual high-Q Fano resonances metasurfaces excited by asymmetric dielectric rods for refractive index sensing”為題在線發表在Nanophotonics期刊。該論文第一作者為Tianyu Wang， 通訊作者為焦慶斌和譚鑫研究員。
該研究成果一方面可以為全介電超構表面的設計方法提供重要思路，另一方面對近紅外高分辨率高光譜成像、多參量傳感等研究也具有一定的參考意義，進而在環境監測、生化傳感等領域發揮重要作用。
研究團隊從納米棒超構表面結構出發，提出了一種優化的新結構，實現了不對稱介質納米棒激發的雙重Fano共振超構表面用于折射率傳感。首先，研究人員在對稱納米棒的結構中觀察到了具有超高品質因子的Fano吸收峰，當引入結構不對稱度時，超構表面產生了額外的共振峰，且光譜對比度均接近100%（如圖1）。
圖1 成對納米棒在近紅外波段產生雙共振吸收峰
隨后，研究人員對產生高品質因子的超構表面結構進行了仿真分析。從圖2的電磁場計算結果可以看出，對稱結構的共振模式為環形偶極子（TD）�；谶B續域束縛態（BIC）原理，不對稱因子的引入破環了這種模式，將之轉化為準連續域束縛態（q-BIC）模式，從而在短波長一端激發了額外的峰值。研究團隊進一步對該結構進行了多級分解，計算了各個輻射源對散射場的貢獻大小，計算結果印證了上述分析（如圖3）。
圖2 對稱和不對稱納米棒結構各個共振波長處電磁場分布
圖3 共振位置多級分解計算結果
為了驗證所設計的超構表面的折射率傳感性能，研究團隊制備并集成了一套微流控-紅外光譜檢測系統（如圖4），并使用不同折射率值的溶液進行了傳感實驗。實驗獲得了雙通道408.02 nm/RIU、236.24 nm/RIU的檢測靈敏度。
圖4 超構表面器件制備與近紅外傳感實驗結果
這項研究提出了不對稱介質納米棒激發的雙重Fano共振超構表面用于折射率傳感的新方法，通過結構不對稱度的引入和控制，獲得了高品質因子的光譜透射峰。該結構具有高靈敏、雙通道、偏振不敏感等優點，且制備難度低，易于集成在光學檢測系統中。這種設計方法可以擴展至更廣波段以適用于更多場景，為全介電超構表面的設計提供了新的思路，對高分辨率光譜成像等潛在應用有一定的參考價值。