【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及红外光谱成像，具体涉及一种基于可调谐像素化超表面增强的红外光谱成像系统及制备方法。
技术介绍
1、在食品安全、生物医疗、环境监测等关系国计民生的重大领域都迫切需要对痕量物质进行现场快速检测。相对于传统的实验室抽样检测方式，现场快速检测技术具有实时在线、便捷高效、检测量大等巨大优势，已成为当前痕量物质检测领域的研究热点。红外光谱技术能直接探测分子振动模式，具有高“指纹”特征性、无需样品标记、无损原位检测等优点，对解决上述领域中的共性问题具有极其重要意义。然而，传统红外光谱技术一直依赖于实验室仪器设备，存在体积大、重量大、价格昂贵等缺点，极大阻碍了该技术在现场快速检测中的实际应用。发展便携式、轻量化、低成本的微型红外光谱检测系统已经成为现场快速检测领域的主流趋势。然而，受光学衍射极限限制，进一步提高微型红外光谱系统的探测极限存在较大阻碍。因而，针对现场快速检测的重大需求，迫切需要引入新材料、发展新方法来实现高灵敏度的微型化红外光谱检测系统。
2、近年来基于表面等离激元效应发展起来的表面增强红外光谱技术能将红外光波局域在探测分子周围，极大增强光波与分子的相互作用，为发展高灵敏度的现场快速检测技术提供了一条崭新道路。国内外研究人员开展了大量研究工作，主要包括金属表面等离激元和石墨烯表面等离激元两种光谱信号增强思路。相对于金属表面等离激元，石墨烯表面等离激元在红外波段具有电磁局域能力强、传播损耗低和谐振频率动态可调等独特优势，突破了金属表面等离激元难以动态调谐的限制，为发展高灵敏红外光谱检测技术及微型化系统提供了
3、当前主要采用石墨烯纳米带或者石墨烯/一维金纳米光栅复合结构激发石墨烯等离激元谐振，但是对石墨烯材料进行纳米图形化会引入大量杂质和缺陷，严重降低石墨烯质量，使得石墨烯等离激元存在模式损耗大、谐振峰线宽大、品质因数低的难题。采用完整石墨烯与一维金纳米光栅复合能够有效避免该问题，然而受限于当前石墨烯材料的生长和转移工艺，石墨烯弛豫时间有限，难以进一步提升其品质因数，导致目前石墨烯表面等离激元增强红外光谱技术存在增强倍数及光谱分辨力低的难题，使得其仍然严重依赖傅里叶红外光谱仪，难以实现检测系统的微型化和轻量化。因此，亟需发展超低损耗石墨烯等离激元模式激发及增强红外光谱探测新方法，以实现高灵敏度的微型化红外光谱检测系统。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种基于可调谐像素化超表面增强的红外光谱成像系统及制备方法，其具有集成度高、灵敏度高、工作波段宽、可实现多种未知痕量分子探测等优点，能够实现食品安全、生物医疗、环境监测等重大领域的现场快速检测。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
3、第一方面，本专利技术提供了一种基于可调谐像素化超表面增强的红外光谱成像系统，包括自下而上依次设置的红外探测器单元、电介质层、像素化超表面阵列单元、纳米间隙层和石墨烯层，所述石墨烯层表面边沿布置有源极和漏极，且所述源极和漏极通过石墨烯层导通；
4、所述像素化超表面阵列单元通过在电介质层表面进行金属沉积和微纳加工获得，该像素化超表面阵列单元几何结构参数由遗传算法逆向设计得到，用于实现超低损耗声学石墨烯等离激元模式与自由空间光的波矢匹配，且所述像素化超表面阵列单元与红外探测器单元表面的面阵阵列在空间位置上相互对应布置；
5、所述像素化超表面阵列单元、纳米间隙层和石墨烯层形成的谐振器单元在红外光波激发下，产生不同谐振频率的低损耗声学石墨烯等离激元，从而在空间上对入射光波进行窄带滤波，实现高分辨光谱调制。
6、在一些实施方式中，所述像素化超表面阵列单元在器件的横切方向上呈像素阵列组成的离散化图形，具体图形由二进制数构成的数组编码决定，其中“1”代表沉积金属区域，“0”代表未沉积金属区域；所述数组编码通过遗传算法逆向设计得到，数组编码与超窄线宽共振光谱之间具有函数映射关系；所述像素化超表面阵列单元的尺寸和周期范围为0.1μm~1μm，厚度范围为20nm~100nm，阵列范围为4×4、8×8以及16×16。
7、在一些实施方式中，还包括布置于石墨烯层上方的红外激光光源，该红外激光光源的波段范围设定为3μm~20μm。
8、在一些实施方式中，所述电介质层的厚度范围为100nm~500nm，材料为红外透明材料，选自al2o3、kbr、mgf2、caf2、baf2、agcl、znse或sio2。
9、在一些实施方式中，所述纳米间隙层（40）的厚度范围为1~10nm，材料为红外透明材料，选自al2o3、kbr、mgf2、caf2、baf2、agcl、znse或sio2。
10、在一些实施方式中，所述红外探测器单元的探测阵列波段范围为3μm~20μm，该红外探测器单元选自碲镉汞红外探测器、超晶格红外探测器或热释电红外探测器。
11、第二方面，本专利技术提供了一种基于可调谐像素化超表面增强的红外光谱成像系统的制备方法，其包括如下步骤：
12、s1，在红外探测器单元表面沉积电介质层；
13、s2，在电介质层表面沉积金属层，并通过刻蚀工艺形成像素化超表面阵列单元；
14、s3，在像素化超表面阵列单元表面沉积纳米间隙层；
15、s4，制备若干层石墨烯薄膜并将若干层石墨烯薄膜依次转移至纳米间隙层上，若干层石墨烯薄膜层叠布置形成石墨烯层；
16、s5，在石墨烯层表面边沿制备源极和漏极，得到本申请上述的基于可调谐像素化超表面增强的红外光谱成像系统。
17、在一些实施方式中，s2中像素化超表面阵列单元的几何结构参数的数组编码由遗传算法逆向设计得到，具体包括如下步骤：
18、s21，构建像素化超表面阵列单元几何结构的数组编码与超窄线宽激发光谱的函数映射关系；
19、s22，依据目标超窄线宽激发光谱确定遗传算法的结构参数和适应度函数；
20、s23，初始化种群编码，随机生成若干个二进制数构成的群体编码，该群体编码对应于像素化超表面阵列单元的随机几何结构；
21、s24，依据函数映射关系确定若干个群体编码对应的超窄线宽激发光谱；
22、s25，依据适应度函数从群体编码中选择满足预设适应度函数值要求的个体编码，删除不满足预设适应度函数值要求的个体编码；
23、s26，通过交叉算子和突变算子对选择的个体编码进行优化，得到新一代群体编码，并对新一代群体编码进行下一次迭代优化，直至收敛，得到像素化超表面阵列单元的几何结构参数的数组编码。
24、本专利技术的有益效果：
25、1、本专利技术所述的基于可调谐像素化超表面增强的红外光谱成像系统中的像素化超表面阵列单元、纳米间隙层和石墨烯层，共同形成可调谐像素化超表面纳米谐振器，能够获得比常规石墨烯等离激元器件更窄的等离激元谐振峰，在空间位置上实现高分辨的光谱调制。共同形成可调谐像素化超表面纳米谐振器，该谐振器能本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于可调谐像素化超表面增强的红外光谱成像系统，其特征在于：包括自下而上依次设置的红外探测器单元（10）、电介质层（20）、像素化超表面阵列单元（30）、纳米间隙层（40）和石墨烯层（50），所述石墨烯层（50）表面边沿布置有源极（70）和漏极（80），且所述源极（70）和漏极（80）通过石墨烯层（50）导通；
2.根据权利要求1所述的基于可调谐像素化超表面增强的红外光谱成像系统，其特征在于：所述像素化超表面阵列单元（30）在器件的横切方向上呈像素阵列组成的离散化图形，具体图形由二进制数构成的数组编码决定，其中“1”代表沉积金属区域，“0”代表未沉积金属区域；
3.根据权利要求1所述的基于可调谐像素化超表面增强的红外光谱成像系统，其特征在于：还包括布置于石墨烯层（50）上方的红外激光光源（100），该红外激光光源（100）的波段范围设定为3μm~20μm。
4.根据权利要求1所述的基于可调谐像素化超表面增强的红外光谱成像系统，其特征在于：所述电介质层（20）的厚度范围为100nm~500nm，材料为红外透明材料，选自Al2O3、KBr、M
5.根据权利要求1所述的基于可调谐像素化超表面增强的红外光谱成像系统，其特征在于：所述纳米间隙层（40）的厚度范围为1~10nm，材料为红外透明材料，选自Al2O3、KBr、MgF2、CaF2、BaF2、AgCl、ZnSe或SiO2。
6.根据权利要求1所述的基于可调谐像素化超表面增强的红外光谱成像系统，其特征在于：所述红外探测器单元（10）的探测阵列波段范围为3μm~20μm，该红外探测器单元（10）选自碲镉汞红外探测器、超晶格红外探测器或热释电红外探测器。
7.一种基于可调谐像素化超表面增强的红外光谱成像系统的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
8.根据权利要求7所述的基于可调谐像素化超表面增强的红外光谱成像系统的制备方法，其特征在于，S2中像素化超表面阵列单元（30）的几何结构参数的数组编码由遗传算法逆向设计得到，具体包括如下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种基于可调谐像素化超表面增强的红外光谱成像系统，其特征在于：包括自下而上依次设置的红外探测器单元（10）、电介质层（20）、像素化超表面阵列单元（30）、纳米间隙层（40）和石墨烯层（50），所述石墨烯层（50）表面边沿布置有源极（70）和漏极（80），且所述源极（70）和漏极（80）通过石墨烯层（50）导通；
2.根据权利要求1所述的基于可调谐像素化超表面增强的红外光谱成像系统，其特征在于：所述像素化超表面阵列单元（30）在器件的横切方向上呈像素阵列组成的离散化图形，具体图形由二进制数构成的数组编码决定，其中“1”代表沉积金属区域，“0”代表未沉积金属区域；
3.根据权利要求1所述的基于可调谐像素化超表面增强的红外光谱成像系统，其特征在于：还包括布置于石墨烯层（50）上方的红外激光光源（100），该红外激光光源（100）的波段范围设定为3μm~20μm。
4.根据权利要求1所述的基于可调谐像素化超表面增强的红外光谱成像系统，其特征在于：所述电介质层（20）的厚度范围为1...
【专利技术属性】
技术研发人员：韦玮，兰桂莲，骆鹏，李潇轩，杨利平，王依霈，李正浩，郭安然，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：
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