基于多功能超表面的集成式光学气体探测系统及控制方法

本发明涉及光学探测，尤其涉及一种基于多功能超表面的集成式光学气体探测系统及控制方法。

背景技术：

1、氢气作为一种清洁能源和重要的工业原料，其安全监测至关重要。光学氢传感器因其本质安全、抗电磁干扰等优势受到广泛关注。现有光学氢敏检测方案主要基于钯（pd）基材料的光学常数变化，通过测量薄膜的透射率、反射率或表面等离子体共振（surfaceplasmon resonance，spr）峰位偏移来实现氢气浓度传感。

2、然而，传统光学氢传感系统通常结构复杂、体积庞大。例如，基于spr的角度谱或波长谱测量方案需要光谱仪或精密角度扫描机构，导致系统集成度低、成本高昂。近年来出现的超表面氢传感器虽然在一定程度上实现了器件的小型化，但其功能相对单一：要么仅利用超表面实现氢敏共振吸收，需要配合外部光谱分析设备；要么将超表面作为相位调制元件，与氢敏薄膜分立布置，未能实现真正意义上的功能集成与读出简化。现有技术中，氢敏单元与读出单元（如探测器阵列或成像系统）之间存在复杂的空间对应关系，信号处理链路长、数据量大，限制了其在分布式、微型化、低功耗监测场景中的应用。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于多功能超表面的集成式光学气体探测系统及控制方法，以解决现有光学氢传感器系统复杂、集成度低、读出链路冗长的技术问题。

2、基于上述目的，本发明提供了一种基于多功能超表面的集成式光学气体探测系统，包括：

3、超表面层，由多个呈阵列排布的复合单元结构构成，所述复合单元结构的几何参数和/或面内取向角的空间分布被配置为编码预设的空间光场重构相位分布；

4、敏感功能层，由光学性质随目标环境参数发生可逆变化的光学可调材料构成，用于响应所述目标环境参数的变化并调制光场；

5、衬底，用于支撑所述超表面层；

6、光电探测器，布置于所述超表面层的预设空间探测区域处，用于将所述预设空间探测区域处的局域光信号转换为电信号；

7、所述超表面层为单层结构或双层结构，所述敏感功能层与所述超表面层集成为一体，所述超表面层利用所述光学可调材料的光学性质变化调制所述预设空间探测区域处的光强，并通过所述空间光场重构相位分布将入射光会聚至所述预设空间探测区域处；

8、所述复合单元结构的几何参数及空间取向角分布被配置为：使所述系统的光学响应参数随所述目标环境参数变化，以建立所述电信号与所述目标环境参数之间的映射关系。

9、优选地，所述超表面层为单层结构，所述敏感功能层与所述超表面层由同一材料层构成，所述复合单元结构通过其面内取向角分布编码所述空间光场重构相位分布，并通过所述目标环境参数引起的光学常数变化调制所述预设空间探测区域处的光强。

10、优选地，所述超表面层为双层或多层结构，沿入射光方向依次包括敏感功能层、隔离层和波前调控层，其中：所述敏感功能层用于响应目标环境参数并调制入射光场，所述中间隔离层用于隔离和支持所述敏感功能层与所述波前调控层，所述波前调控层用于形成所述空间光场重构相位分布。

11、优选地，所述光学可调材料包括钯、钯合金、钯基多层复合膜、过渡金属氧化物或相变材料中的至少一种，所述目标环境参数为氢气浓度、甲烷浓度或一氧化氮浓度中的任一种。

12、优选地，所述空间光场重构相位分布包含离轴聚焦相位分量，所述离轴聚焦相位分量被配置为使入射光在所述预设空间探测区域处形成局域光强增强，其中探测区域包括不限于单点，多点或环状等;所述复合单元结构的几何参数和/或面内取向角根据所述预设空间探测区域所需的目标相位分布计算确定。优选地，所述系统的工作模式为反射式或透射式，检测的光学响应参数包括偏振转换效率、透射率或反射率中的任一种。

13、优选地，所述复合单元结构的几何参数和空间分布通过逆向优化算法确定，所述逆向优化算法以所述空间光场重构相位分布和所述敏感功能层在不同环境参数下的光学对比度为优化目标，在预设的结构参数空间中进行寻优，所述逆向优化算法通过品质因数评价不同结构在环境参数变化下的响应可分辨性与单调性，约束所述光学响应参数在不同环境参数状态下的单调性和相邻状态间的分离度，使所述光学响应参数随所述目标环境参数变化。

14、优选地，所述逆向优化算法包括基于代理模型辅助的智能优化策略，所述代理模型包括深度神经网络、高斯过程回归或随机森林，所述智能优化策略的全局寻优机制包括贝叶斯优化框架、遗传算法、粒子群优化、拓扑优化、梯度下降反向传播、随机搜索或网格搜索中的至少一种。

15、优选地，所述逆向优化算法包含自适应切换机制，在优化过程中根据代理模型的不确定度或迭代收敛状态，动态调整采集函数的勘探与开发权重，以平衡全局搜索与局部精化。

16、本发明还提供一种基于多功能超表面的集成式光学气体探测系统的控制方法，应用于上述任一项所述的系统，包括以下步骤：

17、入射光经所述超表面层调制后，所述超表面层利用所述光学可调材料的光学性质变化调制预设空间探测区域处的光强，并通过空间光场重构相位分布将入射光会聚至所述预设空间探测区域处；

18、所述敏感功能层响应所述目标环境参数的变化，其光学性质发生可逆变化，调制所述预设空间探测区域处的光强；

19、所述光电探测器采集所述预设空间探测区域处的光信号并转换为电信号；

20、根据预先标定的所述电信号与所述目标环境参数的对应关系，反演获得所述目标环境参数的值。

21、本发明的有益效果：

22、1、本发明将敏感响应功能与波前调控功能深度集成于单层或双层超表面中，实现了“感知-调控”一体化的器件设计，仅需在预设空间探测区域处布置一个普通的光电探测器，即可完成从光强到电信号、再到环境参数值的直接转换，取消了光谱仪、电荷耦合器件（charge-coupled device，ccd）阵列、角度扫描机构或波长分辨元件等复杂光学与电子部件，降低了传感系统的体积、成本和功耗，提升了系统鲁棒性和响应速度。

23、2、本发明涵盖单层、双层和多层等多种超表面结构方案，具有极大的设计灵活性和应用适应性。单层方案中敏感功能层与相位调控层由同一材料层构成，结构简单、制备工艺简化、集成度高，适合对成本和制备复杂度敏感的应用场景；双层或多层方案中敏感功能层与波前调控层分离于不同物理层，各自独立优化，可同时实现高灵敏响应与高保真光场调控，适合对检测精度和响应速度要求较高的应用场景。不同方案可根据具体应用需求灵活选择，为不同场景下的气体传感提供了差异化的技术路径。

24、3、本发明涵盖几何相位调制和传输相位调制两种相位调控方式，以及透射式和反射式两种工作模式，检测的光学响应参数包括偏振转换效率、透射率或反射率，可根据具体应用场景灵活选择和切换。借助逆向优化算法实现超表面单元结构的精准设计，达成光学响应参数与目标环境参数的映射关系，确保系统能够通过光强信号反演环境参数值，同时集成空间光场重构与空间滤波双重功能，有利于抑制非目标波长光的干扰。

25、4、本发明的超表面结构可通过光刻、刻蚀等成熟微纳加工工艺批量制备，降低了规模化生产成本；检测过程无需复杂的预处理流程，缩短了检测耗时，减少了设备运维与人力投入，提升了工业现场检测的经济性与便捷性。超表面的亚波长尺度与可阵列化设计使其天然适用于多点分布式传感、片上实验室及可穿戴监测设备等新兴领域，具有广阔的应用前景。