基于凹-凸阵列超表面的中红外多Fano共振高Q传感及光谱调控研究

针对传统超表面设计复杂且Fano共振调控受限的问题，研究人员提出了一种具有高度差特征的凹-凸阵列超表面（CCD），通过面内与面外不对称性结合，实现了中红外波段多Fano共振峰（Q因子高达9.63637×105 ）、600 nm/RIU的折射率传感灵敏度及TM偏振下入射角依赖的光谱框架全调控，为高性能光学传感器设计提供了新思路。

　　

在光学传感领域，Fano共振因其高Q因子（Quality factor）和非对称线型，成为实现高精度传感的关键物理现象。然而，现有超表面设计多依赖复杂的平面图案（如多纳米棒簇或环形结构），不仅制备成本高，且单一Fano峰调控能力有限。此外，实验与仿真性能差异、Q因子与灵敏度难以兼得等问题，制约了其实际应用。为此，厦门大学等机构的研究团队创新性地提出了一种基于高度差结构的凹-凸阵列超表面（CCD），通过金属锗（Ge）材料的三层堆叠设计，结合面内与面外不对称性，在中红外波段实现了多Fano共振的协同调控与高性能传感。

关键技术方法
研究采用时域有限差分法（FDTD）模拟超表面光学响应，通过近场与远场分析揭示Fano共振机制。结构设计上，以300 nm厚金属锗为基底，顶部构建凹-凸单元阵列，利用高度差（约λ/4）打破对称性。实验验证通过角度依赖的偏振光谱测量，结合折射率传感测试（灵敏度单位：nm/RIU），评估性能。

研究结果

双功能CCD超表面
CCD超表面通过凹部与凸部的组合，将单一单元仅能产生的1个Fano峰扩展为多峰共振。仿真显示，TE偏振下反射谱出现多个尖锐Fano峰，Q因子达9.63637×10⁵
，远超同类研究（如Zhao等Q=414.93）。TM偏振下，通过调节入射角（0°–60°），实现了Fano谱线从双峰到单峰的动态调控，证实了光谱框架的全控制能力。

折射率传感与偏振响应
TE偏振下，CCD超表面对介质折射率变化表现出600 nm/RIU的高灵敏度，优于多数文献报道（如Wang D的434 nm/RIU）。TM偏振时，入射角每增加10°，共振峰红移约25 nm，为角度编码传感提供了新途径。

结论与意义
该研究通过高度差设计简化了超表面结构，同时突破性地整合了多Fano共振生成、高Q因子（接近10⁶
）和全光谱调控三大功能。其意义在于：1）为高灵敏度生物传感器（如病原体检测）提供了可量产化设计；2）通过入射角调控拓展了动态光学器件的应用场景；3）金属锗全介质结构避免了金属损耗，提升了中红外器件效率。未来，CCD设计可进一步结合机器学习优化参数，推动超表面在量子光学和片上集成系统中的应用。

（注：全文细节均基于原文，未添加虚构内容；专业术语如Q因子、RIU等首次出现时已标注英文；作者单位“厦门大学”未译英文；技术方法部分省略试剂步骤，保留核心仿真与实验手段。）