非对称耦合超表面的数值优化

据麦姆斯咨询报道，韩国浦项科技大学(Pohang University of Science and Technology)Inki Kim领导的一组横跨机械工程、材料科学和电气工程等多学科的国际研究团队，结合液晶(LC)和全息超表面技术，开发了一款紧凑型气体传感器平台，可以感测挥发性气体并立即提供可视化的全息警报，有望用于公共卫生和环境监测领域生化物质的快速检测。该研究成果已发表于Science Advances。

研究小组整合液晶和全息超表面元件构建了这款超紧凑的气体传感器，无需复杂的检测仪器，就可以通过可视化的全息图像实现气体检测。此外，研究人员利用一步纳米铸造工艺，将这款基于超表面的气体传感器集成到安全护目镜上，证明了这种紧凑型传感器的适用性。

液晶集成超表面(LC-MS)

迄今，材料科学家已经设计开发了电、光、射频或微波等多种方法来探测目标物质，构建了相应的传感器平台。在这些传感器中，基于液晶的传感器具有灵敏度高、实时检测速度快等优点。在本研究中，Kim等人提出了将液晶传感与全息超表面整合的紧凑型气体传感器平台，称为液晶集成超表面(LC-MS)，实现挥发性气体检测的同时，通过视觉全息警报提供即时反馈。

该方法综合了液晶的响应特性和超表面的紧凑性优势，同时通过提供气敏构象来最大化传感器的有效性。该研究小组利用氢化非晶硅(a-Si:H)开发了超表面全息图，可以通过每个纳米结构的几何结构和传播相位来再现不同的全息图像。根据挥发性气体的存在检测结果，这款传感器可以传输不同偏振状态的光。

气敏液晶(LC)单元设计及其光学响应

气敏液晶单元设计

研究小组通过各种外部刺激来调节液晶的分子顺序。Kim及其研究团队首先在最简单的几何结构中观察并表征了液晶的气体响应特性。为此，他们用向列相液晶填充微阱结构。在实验过程中，科学家们使用异丙醇(IPA)气体作为目标有害气体进行了实验。

结果表明这种气敏液晶单元具有快速检测有害气体的能力。然后，研究小组对一系列不同含量的气体进行了实验，以测量检测时间，实验结果例如：氯仿为1.3秒，丙酮为1.6秒，异丙醇为13.9秒，甲醇为58.3秒。随着气体浓度的增加，气敏液晶单元的响应速率越快。

设计具有非对称自旋轨道相互作用的自旋编码超表面全息图。

当不存在有害气体时，全息图呈现“笑脸”安全标志;而当存在有害气体时，全息图呈现“感叹号”的警报标志

该研究小组基于传统的Pancharatnam-Berry(PB)相位调制方法设计了自旋编码的超表面，以研究自旋固有的对称性和相互作用。该器件的最终总效率仅为50%。为了克服光能损失，研究小组利用非对称耦合设计了通过自旋编码超表面以实现左旋圆偏振光(LCP)和右旋圆偏振光(RCP)显示不同信号的功能，帮助打破传统的效率限制。

纳米天线中的磁电谐振限制验证了优化过程。研究小组根据高传输效率和固定增量相移来选择纳米天线的尺寸。他们开发了从不对称耦合超表面获得的安全(笑脸)和警报(感叹号)全息图。为了验证非对称耦合超表面的功能性，Kim等人使用了Lumerical公司的商用全波电磁模拟软件对超表面全息图进行数值模拟。

全息气体传感器及其应用

研究人员利用这款LC-MS气体传感系统对有害气体暴露进行了实时可视化实验。他们在光学装置中，用含有多种有机溶剂(包括异丙醇)的白板记号笔，测试了这款传感器暴露于挥发性有害气体中的传感能力、全息图像的快速切换速率和高衍射效率。

超表面全息器件包含一个a-Si:H纳米天线。在环境中没有挥发性气体的情况下，传感器投射出一个笑脸全息图像作为安全标志。当感测到挥发性气体时，这个标志立即变成一个感叹号警报标志。当记号笔中的挥发性气体扩散到液晶层时，降低了光学延迟，将输出偏振光从RCP转换为LCP，从而实现了全息显示的变化。

当研究小组移除挥发性气体后，随着液晶恢复到最初的方向，全息显示迅速恢复为笑脸安全标志。这一过程可能在几秒钟内完成，记号笔与传感器的距离不会影响响应时间。因此，这种类型的传感器可以应用于气敏产品储存或运输期间有害气体的暴露检测。

该团队还通过一步纳米铸造工艺制成的柔性超表面，在可穿戴设备领域扩展了应用。与传统纳米印刷工艺不同，Kim及其研究团队没有采用复杂的纳米制造工艺，而是将一种功能紫外(UV)固化树脂与氧化钛纳米颗粒作为树脂复合物，在工艺过程中用作介电超表面。该工艺适于大批量生产。

LC-MS气体传感器实验演示

原型验证

作为概念原型验证，研究人员在柔性聚对苯二甲酸乙二酯(PET)薄膜上印制了一个柔性保形全息气体传感器，并将其贴在护目镜表面。研究小组随后针对532 nm波长的入射光进行了纳米颗粒-树脂复合超表面的参数优化(当然，该结构也可用于更宽的波长范围)。就这样，Kim等人开发了一款清晰的全息报警护目镜。

未来，他们将对这种柔性、共形气体传感器进一步微型化和集成研究，以构建一款完整的可穿戴紧凑型气体传感器。这类传感器无需任何额外的复杂机械或电子设备，就可以实现低成本的可穿戴气体传感，可广泛用于工厂、建筑和清洁等气体监测应用。此外，这类传感器还可以在反射模式下工作，通过使用环境光代替内部光源来开发更经济、更简单且小型化的传感器平台。

柔性LC-MS气体传感器，以及集成该传感器的护目镜