近日，前沿交叉科学青岛研究院刘林华/杨家跃团队提出超薄全介质超表面结构实现远红外共振，突破典型远红外器件对厚度依赖的瓶颈问题，相关成果以“Ultrathin Dual-Band Polaritonic Metasurface Enabling Robust Far-Infrared Detection”为题，发表于ACS Photonics（中科院一区TOP，IF=6.7）。论文第一作者为22级博士生成涛，通讯作者为杨家跃教授、山东师范大学韩张华教授，刘林华教授为该工作提供了指导，山东大学为第一作者/通讯作者单位。
图1 论文图形摘要
远红外电磁波（FIR，>15 μm）包含丰富的分子指纹信息，具有穿透深度大、光子能量低等特性，广泛应用于医学检测、传感等领域。全介质超表面通过将电磁场限制在亚波长单元内并增强光-物质相互作用，推动了红外器件向芯片集成、微型化与超薄化方向发展。然而，将可调谐光学共振扩展到远红外面临根本性瓶颈：受衍射极限与材料在该波段本征吸收弱（色散弱）的共同制约，为实现高效光子-材料耦合往往需要更长的有效光程，进而不可避免地增大结构尺寸。现有方案通常依赖多层腔结构或高原子高度超表面，这不仅提升制备难度，也增加了成本。声子极化激元平台为缓解上述矛盾提供了可行路径：强光子-声子耦合可激发表面声子极化激元（SPhPs），并通过超表面工程实现局域化，形成局域表面声子极化共振（LSPhRs）。此类结构即使元原子高度仅为百纳米，也可在~10 μm波段实现强共振吸收。
团队提出一种基于 SPhPs的超薄 SrTiO3/Ge 混合超表面，突破典型FIR器件对厚度的依赖性瓶颈问题。全波数值模拟表明，以 SrTiO3作为 SPhPs 传输介质、以高折射率 Ge 作为极化近场扰动元原子，可在超薄几何下实现强共振与高效耦合。研究揭示了高频与低频 Reststrahlen 带内局域LSPhPs共振行为差异的物理起源。此外，采用光谱椭圆仪测量了 2-30 μm 波段吸收光谱与椭偏参数，成功捕捉到~22 μm 处的强共振，从而为机理解释提供了额外证据。与传统声子‑极化激元平台相比，该超表面呈现角度无关的共振特性，并实现了较高品质因数（Q≈100）。基于上述特性，开展了聚合物检测的概念验证，证明了远红外模式可实现高效的厚度传感与材料识别。本工作展示了在长波共振与超薄器件之间实现协同的设计路径，为超薄FIR超表面器件的开发提供了新的思路。
图2 基于超薄超表面的多聚物探测实验
杨家跃教授长期致力于极端条件热物理、功率器件热管理与空间辐照损伤效应等方向的前沿交叉研究，相关成果已发表于 AFM、Nanophotonics、APL、OE等期刊。相关研究工作得到了海外青年人才、山东大学杰出青年基金等项目的支持。
