中紅外光譜技術因能精準捕捉分子獨特的“指紋”特征，在化學分析、生物醫學及環境監測等領域占據不可替代的地位。然而，傳統檢測手段長期受制于兩大瓶頸：分子在中紅外波段的吸收截面微弱，需依賴長時間信號累積或復雜的表面增強技術；而傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）等設備依賴機械掃描部件，導致系統龐大、成本高昂且檢測速度緩慢，難以滿足現場快速分析的需求。針對這些難題，科研團隊提出了一種突破性方案，通過融合射頻調制激光器與梯度超表面技術，實現了中紅外光譜檢測的“快、準、小”革新。
研究的核心創新在于開發了一種無需機械掃描的瞬時寬帶光源。傳統外腔可調諧量子級聯激光器（EC-QCL）需通過機械調諧逐點掃描光譜，而新方案通過在直流電流上疊加500 MHz、29 dBm的射頻信號，使激光器進入“類噪聲”發射狀態，瞬間產生覆蓋250 cm?1（1350-1600 cm?1）的寬帶光譜。這一光譜由密集排列的窄線組成，相當于同時發射數百個微激光，無需機械運動即可覆蓋聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等有機分子的特征吸收窗口，從根源上消除了時間延遲。
為增強光與物質的相互作用，團隊設計了梯度超表面芯片。該芯片由氟化鈣基底上的橢圓形鍺納米諧振器陣列構成，其關鍵在于諧振器尺寸沿芯片方向連續變化，使光學共振頻率形成空間梯度。當寬帶激光照射時，不同頻率成分被精準投射到對應共振位置，實現光譜信息與空間位置的一一映射。例如，聚甲基丙烯酸甲酯的吸收峰會削弱特定位置的反射信號，最終在室溫中紅外相機中形成包含暗條紋的“分子條形碼”，每條暗紋對應一個振動吸收峰。
實驗驗證中，團隊使用300納米聚苯乙烯、80納米聚甲基丙烯酸甲酯和45納米丙氨酸薄膜進行測試。單幀圖像清晰分辨了不同分子的特征峰，檢測速度達每秒7幀（每幀14毫秒），較傳統FTIR（3分鐘）提升3個數量級，較需機械掃描的FTIR SEIRA系統（20分鐘）提升4個數量級，甚至優于商業EC-QCL的20秒掃描時間。靈敏度方面，梯度超表面的共振增強效應使80納米聚甲基丙烯酸甲酯的信號增強87倍，300納米聚苯乙烯增強8倍，為痕量物質檢測提供了可能。
系統設計上，該方案徹底摒棄了傳統設備的復雜干涉儀、移動鏡及昂貴的低溫探測器，僅需激光器、衍射光柵、超表面芯片和室溫相機，顯著降低了成本與體積。例如，室溫中紅外相機的使用替代了價格高昂的碲鎘汞探測器，為設備小型化鋪平道路。這一突破不僅解決了中紅外光譜技術“速度”與“復雜度”的長期矛盾，更開創了超快速成像式檢測新范式。
在應用場景中，該技術可廣泛用于表面有機物殘留檢測、聚合物涂層質量控制及化學反應動力學研究等領域。例如，在工業生產中，實時監測涂層厚度或成分變化；在環境監測中，快速識別空氣或水體中的微量污染物。隨著超表面設計的優化與系統集成度的提升，這類設備有望從實驗室走向現場，成為環境、醫療、工業等領域強大的實時分析工具，釋放中紅外“分子指紋”技術的更大潛能。
與此同時，國產光學測量儀器領域也涌現出創新力量。凱視邁（KathMatic）自2014年成立以來，專注于高精尖光學技術，已推出KC系列多功能精密測量顯微鏡、KS系列超景深3D數碼顯微鏡及KV系列激光多普勒測振系統，在高端光學精密測量領域取得顯著進展，為科研與工業應用提供了多樣化解決方案。
