CN108414473A - 一种太赫兹波段超材料传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明请求保护一种太赫兹波段超材料传感器。该传感器包括介质层和介质层上依附的亚波长金属阵列的超材料，亚波长金属阵列单元由圆形谐振环和金属条组成，圆形谐振环的斜对称方向设有四个大小相同的开口，金属条位于谐振环中且相对于谐振环中心向上平移1μm，形成在x方向的非对称结构。通过结构的非对称性的引入，实现了类EIT效应，提高了器件的Q值和传感性能。该传感器利用透射率谱中类EIT效应产生的尖锐透射峰频率在单位折射率变化内平移的量来衡量传感器的灵敏度，实现了400GHz‑900GHz频率范围内的高灵敏的折射率传感。

Description

一种太赫兹波段超材料传感器
技术领域
本发明属于太赫兹传感器技术，具体是一种超材料的高Q值、高灵敏度的折射率传感器。
背景技术
太赫兹波介于毫米波和红外光之间，频率在0.1THz到10THz范围内，对应波长范围为3mm到30μm。目前，随着太赫兹辐射产生和探测技术的发展，THz在非电离的生物化学传感应用方面有着很大潜力。亚波长金属结构(亦称超材料)是指其结构尺寸远小于波长的金属结构，具有奇特的电磁谐振性质，诸如负折射、异常透射以及介电环境敏感等，且它的性质不主要取决于构成材料的本征性质，而是其人工设计结构。由于许多物质在THz波段存在指纹谱，可将超材料用于太赫兹传感技术中，并且与常规的太赫兹时域光谱(THz-TDS)测量法相比，具有简便和灵敏度更高的优点。
基于超材料的太赫兹折射率传感器通常由于具有高品质因子Q(吸收峰对应的频率f与半高全宽对应的频率Δf的比值，即Q＝f/Δf)的高谐振响应的性质而展现出很窄的工作带宽，然后依靠外界物质的折射率的变化引起谐振点或谐振峰的红移进行探测。
基于LC谐振和偶极震荡模式的太赫兹超材料传感器结构简单，易于加工，但它们的Q值一般在10以下，导致传感器的灵敏度较低，不适用于实际的传感中。电磁诱导透明(EIT)效应是三能级原子系统中观察到的一种非线性量子效应，使不透明介质在一个窄的光谱范围内广泛吸收，产生透明窗口。基于类EIT效应的太赫兹传感器通过利用超辐射(明模)和亚辐射(暗模)模式之间的干涉，极大地降低甚至完全抑制了系统的辐射损耗，提高了器件的Q值。器件的Q值越高，能量越集中，因而对能量集中区域的场分布变化会更加敏感，从而增强器件的传感性能，为太赫兹波的调控提供了新方法。
目前，国内外太赫兹超材料折射率传感器对于某些微量物质或微小浓度物质的检测灵敏度还不够高，限制了太赫兹传感器的应用。并且目前用于实验测量的太赫兹时域光谱系统的频谱分辨率较低，影响了传感检测的精度。如何设计出结构简单、制备容易、成本较低且适宜批量生产的太赫兹波折射率传感器，是研究人员需要考虑的重要因素。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于类EIT效应、适用于400GHz-800GHz频段的高Q值、高灵敏度的太赫兹超材料折射率传感器。本发明的技术方案如下：
一种太赫兹波段超材料传感器，包括介质层，还包括附在所述介质层上的亚波长金属阵列，利用其谐振模式对折射率变化较为敏感的特性，将它用于对折射率的传感；所述亚波长金属阵列包含多个谐振环和金属条组成的结构单元，所述谐振环用于载太赫兹波激励下实现谐振，金属条用于引入结构的非对称性，实现类EIT效应，所述每个谐振环为圆弧，多个谐振环整体组合成为一个圆形谐振环，且在谐振环的斜对称方向设有若干个大小相同的开口，金属条位于谐振环中且相对于谐振环的中心上方位置处。
进一步的，所述谐振环的个数为4个，所大小相同的开口的个数也为4个。
进一步的，所述金属条位于谐振环的中心上方1-4μm位置处。
进一步的，所述金属条向上平移，形成在x方向的非对称结构，由金属条平移距离为0μm时表现出的亮模式和平移距离为1μm的表现出的暗模式发生强耦合，产生类EIT效应；当金属层上分别覆盖一层不同浓度的分析物时，太赫兹波通过器件的透射谱出现明显的偏移现象，利用类EIT效应产生的尖锐透射峰频率在单位折射率变化内平移的量来衡量传感器的灵敏度，实现了400GHz-800GHz频率范围内的高灵敏的折射率传感。
进一步的，所述介质层材料为高阻硅、聚酰亚胺、石英晶体中的一种，厚度为50.0-100.0μm，金属层材料为为金、银、铜中的一种，厚度为0.2-0.4μm。
进一步的，介质层材料为高阻硅，厚度为50.0μm，所述金属层材料为金属金，厚度为0.2μm；
所述谐振环外半径为24.0μm，内半径为20.0μm，开口为3.0μm；所述金属条长为40.0μm，宽为4.0μm。
本发明的优点及有益效果如下：
当平移距离为0μm时，完美的对称结构激励起明模，其透射率谱表现为偶极子谐振模式；当平移距离为1μm时，打破了器件的完美对称结构，明模诱导明暗模发生强耦合，在0.642THz产生了尖锐的透射峰，实现了类EIT效应，和平移距离为0μm时相比，半峰全宽(FWHM:指透射谱峰高一半处的峰宽度)更窄，提高了器件的Q值，Q值高达92。
本发明的创新点在于平移金属条后非对称结构的传感器，通过非对称性的引入，实现了电磁诱导透明效应；提高了其Q值，减少了能量损耗；增大了折射率灵敏度，便于实现更精确的传感。该传感器具有结构简单、便于加工、设计巧妙、Q值高和折射率灵敏度高等诸多优势，具有突出的实用性特征和显著进步，适合大规模推广应用。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例基于类EIT的太赫兹波折射率传感器平面结构示意图；
图2对称结构和非对称结构传感器的透射谱线；
图3平移距离d＝0的SRR在谐振点和d＝1μm的ASR在透射峰的电流分布；
图4传感器在TE、TM波入射时的透射率谱线；
图5基于类EIT的太赫兹折射率传感透射谱线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
本发明的太赫兹波段超材料传感器如图1所示，传感器包括介质层和所述介质层上依附的亚波长金属阵列的超材料，亚波长金属阵列包含多个谐振环和金属条组成的结构单元，每个所述谐振环单元整体均为圆形谐振环，且在谐振环的斜对称方向设有四个大小相同的开口，金属条位于谐振环中且相对于谐振环中心向上平移1μm，形成在x方向的非对称结构。由金属条平移距离为0μm时表现出的亮模式和平移距离为1μm的表现出的暗模式发生强耦合，产生类EIT效应，提高了器件的Q值。当金属层上分别覆盖一层不同浓度的分析物时，太赫兹波通过器件的透射谱出现明显的偏移现象，利用类EIT效应产生的尖锐透射峰频率在单位折射率变化内平移的量来衡量传感器的灵敏度，实现了400GHz-800GHz频率范围内的高灵敏的折射率传感。
图1所示为太赫兹波折射率传感器平面结构示意图。传感器包括四开口金属环1、金属条2。
本实施例1以超材料结构单元以140μm阵列在x，y方向周期排列为例加以说明，结构单元由介质层和金属层上亚波长金属阵列组成，亚波长金属阵列包含多个谐振环和金属条组成的结构单元，每个所述谐振环单元整体均为圆形谐振环，且在谐振环的斜对称方向设有四个大小相同的开口，金属条位于谐振环中且相对于谐振环中心向上平移1μm，形成在x方向的非对称结构。
所述介质层材料为高阻硅，厚度为50.0μm。
所述金属层材料为金属金，厚度为0.2μm。
所述谐振环外半径为24.0μm，内半径为20.0μm，开口为3.0μm。
所述金属条长为40.0μm，宽为4.0μm。
图2为实施示例1中金属条平移距离分别为0μm和3μm的透射率谱线图，横坐标标注的Frequency表示频率，单位为GHz；纵坐标表注的Transmission表示太赫兹波的透射率谱线。由图可知，当平移距离为0μm时，完美的对称结构激励起明模，其透射率谱表现为偶极子谐振模式；当平移距离为1μm时，打破了器件的完美对称结构，明模诱导明暗模发生强耦合，在0.642THz产生了尖锐的透射峰，实现了类EIT效应，和平移距离为0μm时相比，半峰全宽(FWHM:指透射谱峰高一半处的峰宽度)更窄，提高了器件的Q值，Q值高达92。
图3为平移距离d＝0的SRR在谐振点(f1＝0.650THz)和d＝1μm的ASR在透射峰(f2＝0.642THz)的电流分布。当d＝0时，金属环和金属条关于x方向完全对称，f1谐振点处的表面电流在金属环和金属条电流方向相同，符合偶极子谐振的电流分布特征，此谐振模式被视为亮模式。当d＝1μm时，观察到金属环和金属条的表面电流呈反对称方向且分布不均匀，导致开口谐振环内产生了一个微弱的环形电流，这个环形电流在对称开口谐振环中本不存在，只是由于对称性被打破才导致它的产生。因此，在0.642THz处产生了一个新的共振模式，称为Trapped模，被视为暗模式。该模式不是由电磁波的直接激励产生的，而是由感生的环形电流产生，不直接和外场耦合，只有在对称结构被破坏时，引起明亮偶极子模式之间破坏性干扰，产生强耦合。
图4为传感器在TE、TM波入射时的透射率谱线。由图可知，在两种不同极化波入射状态下，均在0.642THz处产生了尖锐的透射峰，得到了相同的透射曲线，说明该器件具有偏振不相关性。
图5为当传感器的金属层上添加一层厚度为2μm的待测物且待测物的折射率为0.5-2.0时，太赫兹波分别通过该传感器的透射率曲线，由图可知，随着待测物的折射率逐渐增大，其透射率谱明显的向低频方向移动，利用类EIT效应产生的尖锐透射峰频率在单位折射率变化内平移的量来衡量传感器的灵敏度。传感性能用折射率灵敏度(S)表征，表示单位折射率内的谐振峰频率的变化量，其值为S＝Δf/Δn，单位为GHz/RIU，其中Δf为谐振峰频率的变化量，Δn为折射率变化量。FOM值为单位折射率变化引起的谐振峰波长平移量与谐振峰3dB带宽的比值，考虑了带宽对传感性能的影响，能更好的评价传感性能。提出的基于类EIT效应的传感器实现了Q值为92、折射率灵敏度为61GHz/RIU、FOM值为8.5的折射率传感。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (6)

1.一种太赫兹波段超材料传感器，包括介质层，其特征在于，还包括附在所述介质层上的亚波长金属阵列，利用其谐振模式对折射率变化较为敏感的特性，将它用于对折射率的传感；所述亚波长金属阵列包含多个谐振环(1)和金属条(2)组成的结构单元，所述谐振环(1)用于在太赫兹波激励下实现谐振，金属条(2)用于引入结构的非对称性，实现类EIT效应，所述每个谐振环(1)为圆弧，多个谐振环(1)整体组合成为一个圆形谐振环，且在谐振环的斜对称方向设有若干个大小相同的开口，金属条(2)位于谐振环(1)中且相对于谐振环的中心上方位置处。
2.根据权利要求1所述的太赫兹波段超材料传感器，其特征在于，所述谐振环(1)的个数为4个，所大小相同的开口的个数也为4个。
3.根据权利要求1所述的太赫兹波段超材料传感器，其特征在于，所述金属条(2)位于谐振环的中心上方1-4μm位置处。
4.根据权利要求3所述的太赫兹波段超材料传感器，其特征在于，所述金属条(2)向上平移，形成在x方向的非对称结构，由金属条平移距离为0μm时表现出的亮模式和平移距离为1μm的表现出的暗模式发生强耦合，产生类EIT效应；当金属层上分别覆盖一层不同浓度的分析物时，太赫兹波通过器件的透射谱出现明显的偏移现象，利用类EIT效应产生的尖锐透射峰频率在单位折射率变化内平移的量来衡量传感器的灵敏度，实现了400GHz-800GHz频率范围内的高灵敏的折射率传感。
5.根据权利要求1-4之一所述的太赫兹波段超材料传感器，其特征在于，所述介质层材料为高阻硅、聚酰亚胺、石英晶体中的一种，厚度为50.0-100.0μm，金属层材料为为金、银、铜中的一种，厚度为0.2-0.4μm。
6.根据权利要求1-4之一所述的太赫兹波段超材料传感器，其特征在于，介质层材料为高阻硅，厚度为50.0μm，所述金属层材料为金属金，厚度为0.2μm；所述谐振环外半径为24.0μm，内半径为20.0μm，开口为3.0μm；所述金属条长为40.0μm，宽为4.0μm。
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