中红外光谱学通过分子吸收指纹的化学特异性检测，在传感领域提供了无与伦比的机会。然而，其实际应用受到弱光-物质相互作用以及依赖扫描元件的复杂且相对缓慢的仪器设备的限制。在此，本文研究团队开发了一种基于快速成像的中红外光谱平台，该平台结合了宽带共振梯度超表面和射频调制量子级联激光器，可产生宽达250 cm⁻¹的瞬时光谱[1]。
使用设备是DataRay的IR-BB
在本文中，研究者提出了一种基于快速成像的表面增强红外吸收（SEIRA）光谱技术，该技术通过宽带共振梯度超表面和射频调制量子级联激光器（QCL）的协同组合实现，该激光器可产生超过250 cm⁻¹的宽瞬时光谱（图1）。在本文的测量配置中，本文将紧凑型（占地面积约1 mm²）梯度超表面的局部共振与投射在其上的激光辐射的光谱色散相匹配，以实现对电磁场的有效靶向增强。本文预计本文的方法可用于各种化学化合物的快速和特异性诊断，从而开发出适用于远程操作环境的紧凑型低成本中红外传感器。
研究采用的宽带量子级联激光器（BQCL）器件通过埋入式异质结构技术制造，在直流电流驱动下发射中心波长约为1430 cm⁻¹。通过偏置三通将放大的射频信号（29 dBm，500 MHz）叠加到直流电流上，以驱动激光器进入宽带发射状态30，如图2a所示。该状态下激光器的发射光谱（使用FTIR测量）如图2b所示。为了在不使用FTIR的情况下验证器件的工作，本文通过反射衍射光栅将激光束聚焦在裸0.5 mm厚的CaF₂芯片表面上。在此配置中，激光的每个频率分量对应样品表面上的不同位置。因此，BQCL光斑的强度分布代表了激光光谱的包络，但因成像透镜有限的聚焦能力而略有改变。图2c显示了用室温中红外相机（DataRay IR-BB）捕获的BQCL光斑透射示例。其水平剖面（图2b中黑色曲线所示）与FTIR记录的BQCL发射光谱包络（图2b中红色曲线）非常吻合。图2d、e中的蓝色曲线表示BQCL透射图像的归一化强度剖面，并与同一样品用FTIR测量的吸收光谱（黑色曲线）一起绘制。这些剖面以裸CaF₂芯片的透射进行归一化，在峰值的幅度和光谱位置上均与参考数据密切吻合。BQCL光谱中的主要噪声来源是本文装置中使用的室温成像相机30。在光谱范围边缘，激光强度较低，导致探测器噪声对归一化信号的贡献增大。重要的是，虽然BQCL数据是在相机单次快照（140 ms）中记录的，但要在FTIR数据中达到相当的噪声水平，则需要平均光谱超过2分钟，这突显了本文方法的快速检测能力。
因此，在本文的BQCL装置中进行SEIRA条形码测量需要将检测方案切换为反射模式，如图4a所示，以充分利用信号增强。这种新反射配置的校准涉及确保共振波数沿整个激光光斑与BQCL光谱分量完美匹配。为此，本文进行了两组测量，如图4b、c所示。首先，本文将芯片定位，使得梯度中超表面的共振色散与投射在芯片表面的激光束中频率的色散方向相反（图4b）。在此配置中，反射图像仅在芯片上色散交叉的位置（即局部共振波数与照射该位置的激光发射光谱分量相匹配的位置）呈现出狭窄的峰值。通过沿激光光斑扫描芯片，本文观察到记录的中红外图像中反射峰的移动，并利用梯度中共振的已知空间依赖性，将波数与图像中的坐标相关联。测得的位移距离使本文能够精确校准芯片与衍射光栅之间的距离，以确保超表面尺寸与激光光斑尺寸完美匹配。为了验证梯度与激光光斑在尺寸和波长色散上的最佳匹配，本文将芯片旋转180度，切换到对齐配置（图4c）。将从梯度记录的反射图像归一化到金膜的反射图像（图4e）后，在激光光斑内显示出几乎恒定的反射，这证实了色散的良好匹配，从而在整个可用光谱范围内实现了有效的局域场增强。
综上所述，本文展示了通过工作在宽带发射状态的量子级联激光器与宽带共振梯度超表面的协同作用，实现了基于快速成像的中红外光谱技术。通过将投射在超表面上的BQCL光斑的色散与共振的空间梯度相匹配，发射的每个频率分量都专门对应芯片上能提供其共振增强的位置。这最大化了BQCL功率中通过超表面共振与红外振动模式发生增强相互作用的比例，并使得能够在室温中红外相机的单帧内以条形码图像的形式高通量获取超表面增强的分子吸收特征。团队通过在沉积于梯度超表面（占地面积小于1 mm²）上的三种不同分子薄膜中检测其独特的吸收指纹，验证了这一概念，采集时间低于一秒，比基于FTIR的光谱技术缩短了三个数量级以上。本文方法将促进在广泛的化学和生物应用中实现快速且高特异性的分子诊断，并激发高度紧凑和小型化的中红外生物分析器件的发展。特别是，该平台为需要连续监测的应用提供了巨大潜力，包括表面有机残留物和聚合物涂层的检测，以及表面反应的监测。
参考文献
1. Sinev I, Cargioli A, Piciocchi D, Brikh FU, Faist J, Altug H. Metasurface-enhanced mid-infrared imaging spectroscopy with broadband quantum cascade lasers. Nature Communications 2026; 17(1).
Dataray-WinCamD-IR-BB
WinCamD-IR-BB是一款专为中远红外（MWIR至FIR）波段激光设计的光束分析仪。WinCamD-IR-BB具备17 µm像素尺寸、2-16 µm波长探测范围及集成机械快门，提供卓越的光束分析性能。其超过1000:1的信噪比支持符合ISO 11146标准的光束测量。基于氧化钒微测热辐射计的传感器具有超高灵敏度，集成快门设计可实现全自动非均匀性校正（NUC）。
示例应用：
MWIR/FIR/CO₂激光光束质量分析
MWIR/FIR/CO₂激光器和激光系统的现场调试和故障诊断
光束漂移监测与长期记录
自由电子激光（FEL）、太赫兹波源特性分析。
使用可用的 M2DU 平台进行 M² 测量
配置软件：
DataRay 提供功能齐全、高度可定制、以用户为中心的软件支持，该软件无许可费、无限制安装和免费软件更新。该软件功能齐全，易于使用，是专为实现快速准确的激光光束分析而设计。Dataray软件特点鲜明，功能齐全，可以进行M2测量，激光发散角测量，激光轮廓拟合，还支持定制，全程免费且支持更新。
DataRay光斑分析仪的软件提供了一套全面的光束轮廓测量仪器，包括：直径、质心、方向、椭圆度、相对通量，M2测量等，且包含 ISO 标准 11146、11145 和 13694中定义的测量值。在测量的过程中还可以使用Dataray软件的专有 HyperCal 算法实现连续、简单易用的降噪。该软件利用 OpenGL 显示光束的2D和3D图像，并且能够支持非常高的帧速率，还可以显示一维线轮廓，用户可以选择光束的任意切片或自动定向到被测光源。Gaussian和TopHat拟合都可以使用定量指标来执行。在生成结果方面，数据可以以多种格式（CSV、TIFF、BMP）导出。DataRay独特的文件格式允许在调用数据时恢复所有设置。记录每帧或指定的时间间隔的数据，还可以对长期测试进行简单分析并自动生成PDF报告。
