《Optics & Laser Technology》：Multimodal nonlocal metasurfaces for parallel polarization and sensing
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本文设计了一种多模式非局域超表面，通过控制几何对称性实现极化敏感和表面折射率变化的并行检测。该全介电结构采用倒三角形纳米孔对阵列，产生两个准连续束缚态（q-BICs），其中x极化激发高Q值q-BIC用于折射率传感，y极化激发布拉维区折叠态实现高分辨率光谱检测。实验验证了±5°倾斜下的性能稳定性，为芯片级多功能光子生物传感提供新方案。
李长亮|程同怀|徐晓豪|史光月|张一池|刘一鸣|洪培珍|孙小雷|王勇|罗峰
天津大学材料科学与工程学院稀土与无机功能材料中心稀土材料与应用重点实验室，中国天津300350
摘要
基于光谱位移的光学传感提供了一种无需标记的方法来监测环境扰动，但传统上这种方法在微结构平台上需要高光谱分辨率。在这里，我们展示了一种多模非局域超表面，它能够将偏振状态和表面折射率变化同时编码到不同的共振光谱中。这种全介质设计由排列在非正方形晶格中的反向三角形纳米孔二聚体组成，支持多个窄带近红外共振，其中包括两个具有不同偏振响应的准束缚态（q-BICs）。其中一个共振是由晶格倍增效应在连续体中产生的布里渊区折叠束缚态引起的。窄线宽有助于实现偏振分辨的表面传感，并能够通过浓度依赖的共振位移无标记地检测牛血清白蛋白（BSA）。在受控样品倾斜条件下，超表面的响应几乎保持不变，这一点通过垂直入射和±5°下的透射测量得到了验证，确保了在实际测量条件下的稳健性能。这个紧凑的平台集成了高分辨率光谱学和多模读出功能，为多功能片上光子生物传感提供了一条可扩展的途径。
引言
基于光的多种自由度的光学传感是现代光子学的基石[1]、[2]。工程化的微纳结构或超材料提供了一个平台，可以以前所未有的灵活性和控制超薄轮廓的方式来控制光的波长、相位和偏振，超越了传统块体光学的限制[3]、[4]、[5]。这些新兴技术的一个关键挑战和机遇在于控制色散，即光学响应的波长依赖性，这通常与结构色等显著现象直接相关。二维超材料（超表面）为工程化色散提供了独特的灵活性[6]、[7]。通过精确控制光在集成平台上的波长响应，已经实现了消色差和多光谱成像，甚至波长分复用，大大扩展了在材料传感、化学和生物传感中的应用[8]、[9]、[10]、[11]。
利用光学异常点（EPs）的传感器可以对微小扰动达到极高的灵敏度，但需要严格的工作条件，并且本质上受到噪声的限制[12]、[13]。在这里，我们关注基于稳定高Q值光学共振的光谱检测方案。与需要在微妙简并状态下操作或直接暴露于分析物中的EP传感器不同，这些基于共振的传感器的性能主要由它们的光谱分辨率决定[14]。因此，实现高光谱分辨率对于提高此类光谱传感系统的灵敏度至关重要[15]。一种有前途的高分辨率光谱传感方法使用窄带光学滤波器，这些滤波器可以直接将光谱信息与光电探测器相关联，而无需繁琐的色散元件或光谱重建[16]、[17]、[18]、[19]。在这种机制下，由于工程化共振提供的极端光谱定位，含有q-BICs的共振超表面被提出作为超窄带滤波的合适平台，从而显著提高了目标光谱特征的区分度[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。从工程角度来看，q-BIC是通过扰动一个非辐射束缚态而获得的，使其以高质量（Q）因子作为泄漏共振耦合到远场[25]、[26]、[27]。其他设备也从高Q值的窄带模式中受益，例如滤波器、低阈值激光器和传感器[28]、[29]。这种方法有几个优点：由于它们的超高Q值，或者说，它们的超窄光谱线，任何与环境的相互作用主要会导致共振波长的红移或蓝移，而不会显著加宽线宽[30]、[31]。因此，在传感应用中，共振峰保持狭窄和高对比度，为高灵敏度铺平了道路。然而，基于EP的传感方案通常涉及严格的工作条件，而使用高Q模式的基于共振的光谱传感提供了一个更稳健且实验上更易实现的替代方案。尽管如此，为了获得样品的光学轮廓，迫切需要同时并行检测多个光参数，如波长和偏振信息[15]、[32]、[33]、[34]。
由于传统的超表面在制造后几何形状是固定的，它们通常产生针对单一功能定制的光学响应[35]。为了最大化芯片级结构的信息含量，人们对能够在单一集成封装中执行多种传感功能的多模和多功能超表面越来越感兴趣[36]、[37]、[38]、[39]。这些方法包括被动复用结构和可以在不同功能之间切换的主动或可重构的超光学器件。例如，已经证明机械可重构的超光学器件可以切换配置，并作为单一组件执行聚焦、光谱解复用和偏振排序。此外，许多自由度（如偏振）的测量传统上是间接实现的，这增加了系统的复杂性和成本。这些因素共同推动了开发能够在单个传感器内并行检测多种光学特性的纳米级平台的发展，从而简化了仪器设备并实现了更丰富的信息提取[25]、[40]。
在这项工作中，我们设计并实验性地展示了一种多模非局域超表面，它能够将偏振状态和表面扰动同时编码到不同的光谱特征中。这种全介质平台由各向异性的三角形纳米孔二聚体晶格组成，经过工程设计以在正交线性偏振下支持不同的共振响应。通过引入受控的几何不对称性，在x偏振照射下激发了一个高Q值的q-BIC，这与基于对称性的q-BIC选择规则一致[41]。此外，大约1800纳米处的第二个窄带共振是由晶格倍增效应在连续体中产生的布里渊区折叠束缚态引起的，这一点在最近关于区域折叠BICs的研究中有所报道[42]。这些共振为多模和偏振分辨检测提供了互补的传感通道。关于布里渊区折叠机制的详细理论分析在补充信息中提供。
章节片段
结构设计与制造
图1总结了所提出的多模非局域超表面的设计原理和光谱响应。图1a–b显示了器件架构：一个位于SiO2层上的穿孔Si薄片，其中每个单元格由排列在矩形晶格中的反向三角形纳米孔二聚体组成。在图1c中，对称样品（& = 0）显示了二聚体中的两个明亮耦合模式，这些模式平行于二聚体轴线。因此，E||x和E||y各自激发一个
结果与讨论
如图3a所示，我们使用了一个包含可调激光器、偏振控制、分束器和光电探测器的透射显微光谱装置对样品进行偏振分辨的透射测量。如图3c–d所示，对于对称参考样品，模拟和实验都只显示了入射偏振Pol = 0°–90°时允许的对称性辐射共振，其线形类似于Fano线形。在垂直入射下，对称性保护的
结论
总之，我们实验性地展示了一种用于偏振敏感和基于表面的折射率传感的多模非局域超表面。该平台基于在近红外范围内工作的各向异性三角形纳米孔二聚体晶格。受控的几何不对称性在x偏振激发下解锁了连续体中的对称性破缺准束缚态，而来自布里渊区折叠的互补高Q值共振则是
方法
样品制备：使用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术在500微米厚的SiO2基底上依次沉积了10纳米厚的二氧化硅层和250纳米厚的非晶硅（α-Si）薄膜，以确保层状结构的精确形成。然后将样品浸入异丙醇中30秒，干燥后旋涂240纳米厚的电子束光刻胶（ZEP-520A）。为了提高光刻胶与硅薄膜之间的粘附力，将涂覆后的样品烘烤3分钟。
CRediT作者贡献声明
李长亮：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，形式分析，数据管理。程同怀：形式分析。徐晓豪：研究。史光月：软件。张一池：方法论。刘一鸣：数据管理。洪培珍：验证。孙小雷：撰写 – 审稿与编辑。王勇：撰写 – 审稿与编辑。罗峰：撰写 – 审稿与编辑。
资助
本工作得到了中国国家重点研发计划（编号2021YFA1601004）的支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。
