CN107340004B - 一种基于介质超表面的双参数检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于介质超表面的双参数检测系统，包括宽带光源、起偏器、准直透镜、检测平台、介质超表面传感器、光谱仪。宽带光源输出的光经起偏器、准直透镜后变为平行线偏振光，垂直正入射到放置于检测平台上的介质超表面传感器，根据米式散射理论，介质超表面传感器的透射光谱中有至少两个谐振峰(分别对应不同阶次的电谐振和磁谐振)。这两个谐振峰对两种外界参数具有不同灵敏度。光谱仪接收透射光，通过分析谐振峰的波长移动量结合灵敏度矩阵，可同时测得两种外界参数值。本发明基于介质超表面来实现两种外界参数的同时测量，介质超表面结构稳定，易于制造，成本低，尺寸小，利于集成封装和在较小尺寸范围内实现多通道检测。
Description
技术领域
本发明属于传感技术领域，涉及一种能够同时测量两种外界参数的检测系统。
背景技术
在生产制造、环境监测、食品安全检测等方面，经常会涉及到温度、浓度、应力、折射率、电流、速度等等各种各样参数的检测，国家鼓励有关传感检测技术的研究。而能够对至少两种外界参数进行同时测量的传感系统不仅可以解决在测量过程中外界参数之间的相互影响，也可以大大提高检测效率。
现有的双参数传感技术中，光纤传感技术是最常见的，也有一些其他的双参数传感器。例如2014年1月15日中国计量学院提出了申请号为201420024605.X的“基于长周期光纤光栅折射率温度双参数测量传感器”，该传感器包括光源装置、传输光纤、传感光纤以及光谱仪，所述传感光纤上刻有两段相互连接但周期不同的长周期光纤光栅，两个结构只有其中之一具有涂覆层，所以对折射率和温度分别具有不同的灵敏度，信号光通过该传感光纤会产生两个谐振峰，且随着折射率和温度的变化分别产生不同程度的漂移，从而达到同时检测折射率和温度的目的。例如2014年12月29日华中科技大学申请的申请号为201410834615.4提出了“光纤传感单元及其在同时测量折射率温度的应用”，光纤传感单元包括输入单模光纤、微纳多模光纤、反射多模光纤和一个反射端面。光纤传感单元内的干涉光信号传输到反射端面发生部分反射，干涉光谱被解调装置接收并解调出干涉光谱的波长和强度变化量，即实现折射率和温度的同时测量。但是光纤的材质、结构本身特性决定了光纤传感器体积无法做得很小，集成度低。而且光纤传感器性能不稳定，重复性较差。2016年1月7日，浙江大学提出了申请号为201610014723.6的“一种基于级联耦合微腔的温度/折射率双参数传感器”，包括宽带光源、总线波导、第一耦合微腔、第二耦合微腔和光探测器。第一耦合微腔、第二耦合微腔具有不同的谐振波长和不同的光场能量分布比例，利用两种微腔在折射率响应灵敏度和温度响应灵敏度上的显著差异，便能实现在一次测量中同时获得折射率、温度信息。但是这个传感器需要在波导上做出一系列的微腔结构，对加工工艺要求很高，稍有不慎就会对结果造成较大影响，而且加工流程复杂，不适合量产，时间成本高。
超表面是一种人工设计的能在亚波长范围内对光进行调控的微小结构。由于其尺寸微小、制备简单、相对于能实现同样功能的大型元器件来说具有更小损耗等优点，吸引着广大研究人员进行探索。在实现非线性光学、微小分子检测、光波前调控等方面都有研究。近年来，介质超表面尤其是硅基超表面由于原材料的丰富以及与半导体制造工艺的相容性而备受瞩目，然而至今为止还没有基于超表面结构的传感器能实现至少两个参数同时进行检测。
发明内容
针对现有技术中的缺陷以及研究现状，本发明提供一种基于介质超表面的双参数检测系统。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：
一种基于介质超表面的双参数检测系统，包括宽带光源、起偏器、准直透镜、检测平台、介质超表面传感器、光谱仪。宽带光源输出的光依次经起偏器、准直透镜后变为平行线偏振光，垂直正入射到放置于检测平台上的具有周期性结构的介质超表面传感器，由于介质超表面传感器的透射谱具有至少两个对两种外界参数灵敏度不同的谐振峰，通过分析谐振峰的波长移动量结合灵敏度矩阵可以同时测量得到两个外界参数其中A和B分别代表两个外界参数，Δλ1和Δλ2是两个选定的谐振峰的波长偏移量，灵敏度矩阵是在正式测量之前，对介质超表面传感器进行标定时确定的，其中KA，1和KA，2是当外界参数A变化，外界参数B保持不变时两个谐振峰的灵敏度，KB，1和KB，2是当外界参数B变化，外界参数A保持不变时两个谐振峰的灵敏度。
本发明所述的一种基于介质超表面的双参数检测系统，其特征在于：所述的检测平台上刻有凹槽，长度和宽度与介质超表面传感器的尺寸一致，深度大于介质超表面传感器的厚度，所述检测平台只有凹槽处可以透光，且对光强影响可以忽略，其他位置均不能使宽带光源输出的光透过。
本发明所述的一种基于介质超表面的双参数检测系统，其特征在于：所述的介质超表面传感器，由周期性的单元结构构成，衬底材料为低折射率介质，单元结构材料为高折射率介质，周期小于入射波长；并且，其透射谱中至少有两个对两种外界参数灵敏度不同的谐振峰。
本发明所述的一种基于介质超表面的双参数检测系统，其特征在于：所述的光谱仪能测得所述宽带光源输出的各个波长下的光强，波长分辨率小于0.1nm。
与现有技术相比，本发明的特色与优势在于：
1.本发明是基于介质超表面来实现两种外界参数的同时测量，介质超表面结构稳定，尺寸微小，易于集成封装，且有利于在较小的尺寸内实现多通道检测。
2.本发明是基于介质超表面来实现两种外界参数的同时测量，介质超表面与现有的半导体制造工艺完全相容，制备简单，适合大规模大量生产，降低成本。
3.本发明是基于介质超表面来实现两种外界参数的同时测量，由于介质超表面的材料、尺寸可以任意选择，使得该传感器的光谱工作波段几乎不受限制，局限性较小。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一种基于介质超表面的双参数检测系统的示意图
图2是边长600nm，厚度220nm的硅方块(折射率为3.7)，以800nm为周期排列在二氧化硅(折射率为1.48)基底上形成的超表面结构的透射光谱图
图3是边长600nm，厚度220nm的硅方块(折射率为3.7)，以800nm为周期排列在二氧化硅(折射率为1.48)基底上形成的超表面结构在发生磁谐振和电谐振时，硅块截面处的电场分布和磁场分布。
图4是本发明具体实施例1中的一种基于介质超表面的双参数检测系统的介质超表面传感器的结构和光照示意图
图5是本发明具体实施例1中的一种基于介质超表面的双参数检测系统(a)检测不同折射率的溶液的透射光谱、(b)折射率变化与谐振峰波长偏移量的关系曲线的线性拟合、(c)在不同温度下得到的透射光谱、(d)温度变化与谐振峰波长偏移量的关系曲线的线性拟合
图6是本发明具体实施例2中的一种基于介质超表面的双参数检测系统的另一种介质超表面传感器的结构和光照示意图
图7是本发明具体实施例2中的一种基于介质超表面的双参数检测系统(a)检测不同折射率的溶液的透射光谱、(b)折射率变化与谐振峰波长偏移量的关系曲线的线性拟合、(c)在不同温度下得到的透射光谱、(d)温度变化与谐振峰波长偏移量的关系曲线的线性拟合
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种基于介质超表面的双参数检测系统，包括宽带光源(1)、起偏器(2)、准直透镜(3)、检测平台(4)、介质超表面传感器(5)、光谱仪(6)；宽带光源(1)输出的光依次经起偏器(2)、准直透镜(3)后变为平行线偏振光，垂直正入射到放置于检测平台(4)上的具有周期性结构的介质超表面传感器(5)，由于介质超表面传感器(5)的透射谱具有至少两个对两种外界参数灵敏度不同的谐振峰，通过分析谐振峰的波长移动量并结合灵敏度矩阵可以同时得到两个外界参数/>其中A和B分别代表两个外界参数，Δλ1和Δλ2是两个选定的谐振峰的波长偏移量，灵敏度矩阵是在正式测量之前，对介质超表面传感器(5)进行标定时确定的，其中KA，1和KA，2是当外界参数A变化，外界参数B保持不变时两个谐振峰的灵敏度，KB，1和KB，2是当外界参数B变化，外界参数A保持不变时两个谐振峰的灵敏度。
此外，本发明所述的检测平台(4)上刻有凹槽，长度和宽度与介质超表面传感器(5)的尺寸一致，深度大于介质超表面传感器(5)的厚度；所述检测平台(4)只有凹槽处可以透光，且对光强影响可以忽略，其他位置均不能使宽带光源(1)输出的光透过。
本发明所述的介质超表面传感器(5)，由周期性的单元结构构成，衬底材料为低折射率介质，单元结构材料为高折射率介质，周期小于入射波长；并且，其透射谱中至少有两个对两种外界参数灵敏度不同的谐振峰。
本发明所述的光谱仪(6)能测得所述宽带光源(1)输出的各个波长下的光强，波长分辨率小于0.1nm。
如图2所示为边长600nm，厚度220nm的硅方块(折射率为3.7)，以800nm为周期排列在二氧化硅(折射率为1.48)基底上形成的超表面结构的透射光谱图。从图2中可以看出，各个波长的透射率与波长相关，在1.42μm和1.63μm波长附近的透射率极低，接近于0，这是因为在这两个波长附近的入射电磁波与超表面结构分别发生了磁谐振(1.42μm)和电谐振(1.63μm)，形成两个谐振峰；而在这两个谐振峰以外波长的透射率比较高，体现了介质超表面比较小的损耗。
如图3所示为边长600nm，厚度220nm的硅块(折射率为3.7)，以800nm为周期排列在二氧化硅(折射率为1.48)基底上形成的超表面结构在发生磁谐振和电谐振时，硅块截面处的电场分布和磁场分布。图3的(a)部分和(c)部分分别是硅块发生磁谐振时截面处的电场分布和磁场分布，可以看到磁场富集在硅块内部并且平行于x轴，而电场在y-z平面呈涡旋状，表现出磁偶极子的特性。图3的(b)部分和(d)部分分别是硅块发生电谐振时截面处的电场分布和磁场分布，可以看到电场富集在硅块内部且平行于y轴，而磁场在x-z平面呈涡旋状，表现出电偶极子的特性。
下面以折射率和温度两个外界参数为例，说明本发明提出的双参数传感器的工作原理。
在测量过程中，折射率的变化和温度的变化，都会引起谐振峰波长的偏移，即：
其中i表示透射光谱中的谐振峰1(磁谐振)或谐振峰2(电谐振)。为了实现折射率、温度双参数传感，我们需要使用这两个谐振峰的波长偏移。公式(1)经过整理、转置以后，即为：
这里Kn，1，Kn，2，KT，1，KT，2都是折射率和温度单一变化时的传感器响应的灵敏度。
先标定某参考状态下(一定温度和折射率)的两个谐振峰波长的位置，再测出两个谐振峰波长分别随着单一参数(折射率或者温度)的变化关系，即折射率变化灵敏度Kn，1、Kn，2和温度变化灵敏度KT，1、KT，2，最后浸入某种待测样品中，测量两个谐振峰波长的偏移量Δλ1和Δλ2，由公式(2)可以求得折射率和温度的变化量，对比一开始标定的折射率和温度参考值，就可以得到当前的折射率和温度。
下面结合具体的实施例加以说明。
实施例1：
设计了一种硅基超表面传感器，如图4所示，硅块阵列周期性排列在二氧化硅基底上，一束平行线偏振光ki正入射到硅基超表面上，透射光kt被收集进行分析。入射电磁波沿着z轴正入射，电场方向平行于y轴，磁场方向平行于x轴。二氧化硅的折射率在20℃时是1.48，硅块的折射率在20℃时是3.7。图4右下角是超表面结构的局部放大图，硅块的排列周期Px和Py都是800nm，硅块的边长a是600nm，硅块的厚度是220nm。
将超表面结构平整放置在检测平台的凹槽中，表面加入不同折射率的溶液(1.33-1.49)完全浸没超表面结构，并控制温度恒定为20℃，得到传感器浸没在不同折射率液中的透射光谱，如图5的(a)部分所示，可以看到两个谐振峰的波长都随着折射率的增大而向长波方向发生不同程度的偏移。将不同折射率对应的谐振峰波长偏移进行线性拟合，如图5的(b)部分所示，磁谐振和电谐振对于折射率变化的响应灵敏度为243.44nm/RIU和159.43nm/RIU，线性度R2也都接近于1，反映了它们之间具有较好的线性关系。
将超表面结构平整放置在检测平台的凹槽中，表面为空气(折射率为1)。查阅文献资料得到硅和二氧化硅的热光系数分别是1.84×10-4/K和8.6×10-6/K，硅和二氧化硅的热膨胀系数分别是2.59×10-6/K和0.55×10-6/K。将温度从0℃升高到100℃，得到超表面结构在不同温度下的透射光谱图，如图5的(c)部分所示，谐振峰旁边的两个小插图分别是两个谐振峰波长变化的放大图，可以看到两个谐振峰的波长都随着温度的改变而发生不同程度的变化。将温度变化与谐振峰波长偏移量的关系进行线性拟合，如图5的(d)部分所示，磁谐振和电谐振对于折射率变化的响应灵敏度为51.83pm/℃和76.35pm/℃，线性度R2也都接近于1，反映了它们之间具有较好的线性关系。将上述结果带入公式(2)，我们可以得到：
公式(3)即为实施例1中所述检测系统的折射率、温度双参数同时测量的灵敏度矩阵。
实施例2：
设计了另外一种结构的硅基超表面传感器，如图6所示，硅块阵列周期性排列在二氧化硅基底上，一束平行线偏振光ki正入射到硅基超表面上，透射光kt被收集进行分析。二氧化硅的折射率在20℃时是1.48，硅块的折射率在20℃时是3.7。图6的右边是超表面结构的局部放大图，硅块的排列周期Px和Py都是800nm，硅块的边长a是600nm，硅块的厚度是220nm，在每个硅块上都对称地挖空了4个小孔，每个小孔的边长是130nm，小孔与小孔之间的间隔是140nm，形成了一种“田”字形结构。
将超表面结构平整放置在检测平台的凹槽中，表面加入不同折射率的溶液(1.33-1.49)完全浸没超表面结构，并控制温度恒定为20℃，收集到浸没在不同折射率液中的传感器的透射光谱，如图7的(a)部分所示，可以看到两个谐振峰的波长都随着折射率的增大而向长波方向发生不同程度的偏移。将不同折射率对应的谐振峰波长偏移进行线性拟合，如图7的(b)部分所示，磁谐振和电谐振对于折射率变化的响应灵敏度为306.71nm/RIU和204.27nm/RIU，线性度R2也都接近1，反映了它们之间具有较好的线性关系。
将超表面结构平整放置在检测平台的凹槽中，表面为空气(折射率为1)。查阅文献资料得到硅和二氧化硅的热光系数分别是1.84×10-4/K和8.6×10-6/K，硅和二氧化硅的热膨胀系数分别是2.59×10-6/K和0.55×10-6/K。将温度从0℃升高到100℃，得到超表面结构在不同温度下的透射光谱图，如图7的(c)部分所示，谐振峰旁边的两个小插图分别是两个谐振峰波长变化的放大图，可以看到两个谐振峰的波长都随着温度的改变而发生不同程度的变化。将温度变化与谐振峰波长偏移量的关系进行线性拟合，如图7的(d)部分所示，磁谐振和电谐振对于折射率变化的响应灵敏度为35.01pm/℃和69.1pm/℃，线性度R2也都接近于1，反映了它们之间具有较好的线性关系。将上述结果带入公式(2)，我们可以得到：
公式(4)即为实施例2中所述检测系统的折射率、温度双参数同时测量的灵敏度矩阵。
需要指出的是，上述实施例仅为说明本发明的技术构思和特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能依此来限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种基于介质超表面的双参数检测系统，包括宽带光源(1)、起偏器(2)、准直透镜(3)、检测平台(4)、介质超表面传感器(5)、光谱仪(6)；宽带光源(1)输出的光依次经起偏器(2)、准直透镜(3)后变为平行线偏振光，垂直正入射到放置于检测平台(4)上的具有周期性结构的介质超表面传感器(5)，由于介质超表面传感器(5)的透射谱具有至少两个对两种外界参数灵敏度不同的谐振峰，通过分析谐振峰的波长移动量结合灵敏度矩阵可以同时测量得到两个外界参数/> 其中A和B分别代表两个外界参数，Δλ1和Δλ2是两个选定的谐振峰的波长偏移量，灵敏度矩阵是在正式测量之前，对介质超表面传感器(5)进行标定时确定的，其中KA,1和KA,2是当外界参数A变化，外界参数B保持不变时两个谐振峰的灵敏度，KB,1和KB,2是当外界参数B变化，外界参数A保持不变时两个谐振峰的灵敏度；
所述的介质超表面传感器(5)，由周期性的单元结构构成，衬底材料为低折射率介质，单元结构材料为高折射率介质，周期小于入射波长；并且，其透射谱中至少有两个对两种外界参数灵敏度不同的谐振峰；
所述的检测平台(4)上刻有凹槽，长度和宽度与介质超表面传感器(5)的尺寸一致，深度大于介质超表面传感器(5)的厚度；所述检测平台(4)只有凹槽处可以透光，且对光强没有影响，其他位置均不能使宽带光源(1)输出的光透过；
所述的光谱仪(6)能测得所述宽带光源(1)输出的各个波长下的光强，波长分辨率小于0.1nm。
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