CN108493567B - 基于超结构的可调太赫兹谐振腔及其用于物质分析的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太赫兹器件领域。目的是提供了一种基于超结构的可调太赫兹谐振腔及其用于物质分析的方法，能够利用已有的超材料的研究成果，实现对待测物的定性定量分析。技术方案是：一种基于超结构的可调太赫兹谐振腔，其特征在于该可调太赫兹谐振腔包括固定板模块、可与固定板模块相对运动的移动板模块以及驱动移动板模块的间距调节模块；所述固定板模块包括固定在直线导轨一端的静板支架以及由静板支架支撑且表面附有太赫兹超结构的平行板；所述移动板模块包括通过位移台可滑动地定位在直线导轨上的动板支架以及由动板支架支撑且表面附有太赫兹超结构的平行板；所述间距调节模块包括与直线导轨平行布置的丝杆以及驱动丝杆的双向旋转电机。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹器件领域，具体是一种基于超结构的可调太赫兹谐振腔及其用于物质分析的方法。
背景技术
太赫兹辐射是指频率为0.1THz-10THz间的一段电磁波，其光子能量低，对于很多介电材料和非极性的液体有良好的穿透性，许多极性大分子振动能级间的跃迁和转动能级间的跃迁正好处于太赫兹频率范围。因此，太赫兹波适合用于物质的无损检测分析，在基础生物科学、医药学和材料科学等方面有很大的应用潜力。但由于太赫兹波波长较长，直接进行目标物检测还存在灵敏度低、背景信号干扰严重等不足。
超材料是一种具有亚波长周期性结构的人工电磁材料，在太赫兹波产生、调制、通讯和成像等领域具有广阔的应用前景。随着太赫兹超材料的发展，基于太赫兹超材料的检测技术让太赫兹物质检测的灵敏度有了很大的提升。现有太赫兹超材料的研发主要集中在特征结构尺寸设计和加工材料选择等方面，在有效增强太赫兹信号的同时弱化了太赫兹检测的特异性；部分太赫兹超材料虽具有特征信号自我调节功能，但其制作过程繁琐，稳定性较差。现有的太赫兹超材料还远不能满足实际应用的需求，因此，开发兼顾有一定灵敏度和特异性的结构器件，进一步提升现有太赫兹超材料的性能，对于有效改善太赫兹波的物质分析能力，拓宽太赫兹技术的应用领域具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述背景技术的不足，提供了一种基于超结构的可调太赫兹谐振腔及其用于物质分析的方法，能够利用已有的超材料的研究成果，实现对待测物的定性定量分析，具有结构简洁、制作简单以及使用方便的特点。
本发明采用了以下技术方案：
一种基于超结构的可调太赫兹谐振腔，其特征在于该可调太赫兹谐振腔包括固定板模块、可与固定板模块相对运动的移动板模块以及驱动移动板模块的间距调节模块；
所述固定板模块包括固定在直线导轨一端的静板支架以及由静板支架支撑且表面附有太赫兹超结构的平行板；
所述移动板模块包括通过位移台可滑动地定位在直线导轨上的动板支架以及由动板支架支撑且表面附有太赫兹超结构的平行板；
所述间距调节模块包括与直线导轨平行布置的丝杆以及驱动丝杆的双向旋转电机；所述丝杆与位移台中的螺孔啮合，丝杆的一端与双向旋转电机的转轴固连，以通过螺纹传动实现两个平行板之间间距的连续调控；
所述两个平行板的板面相互平行，两个平行板板面上的太赫兹超结构相向而对布置。
所述太赫兹超结构为具有亚波长周期性结构的人工电磁介质，所述平行板在太赫兹频段具有较低折射率和较弱的吸收。
所述动板支架和静板支架侧部均开制有紧定螺孔，用于固定插入的平行板。
所述太赫兹超结构通过光刻或粘贴或螺栓连接的方式附着在平行板的表面。
一种使用所述的基于超结构的可调太赫兹谐振腔进行物质分析的方法，按以下步骤进行：
S1.测量在未添加任何待测物时不同平行板间距下的太赫兹透射脉冲信号，获得谐振腔的平行板间距透射响应特性，并提取不同平行板间距下谐振峰的频率f0(d)和透射强度T0(d)；
S2.将待测物添加在谐振腔任意一片太赫兹超结构表面；
S3.测量并记录添加待测物后不同平行板间距下的太赫兹透射信号，获得含待测物的谐振腔平行板间距透射响应特性，并提取不同平行板间距下谐振峰的频率fs(d)和透射强度信息Ts(d)；
S4.对于待测物的定性分析：不同平行板间距下会在不同频率处产生不同的谐振，若在某个间距下的谐振峰中出现一个下凹的峰形，则表明待测物在该频率处存在特征吸收，以此实现对待测物的定性分析；
S5.对于待测物的定量分析：通过分析某个固定平行板间距下的谐振峰的频移fs(d)-f0(d)或透射强度变化Ts(d)-T0(d)，进行待测物添加量的分析。
所述待测物为薄膜、粉末压片等表面规整的薄片材料。
本发明的有益效果是：通过提供一种新型的工作在太赫兹频段的结构模式，便于灵活利用已有的太赫兹超材料结构，实现太赫兹检测性能的提升；通过简单的平行板间距调节对不同频率的太赫兹信号进行调制，实现对待测物的定性分析；利用超结构的表面等离子体特性和太赫兹波在平行板间多次反射特性，有效增强太赫兹波与待测物的相互作用，实现待测物含量的灵敏分析；具有结构简洁、制作简单以及使用方便的特点。
附图说明
图1是可调太赫兹谐振腔的分解结构图。
图2是移动板模块的立体结构示意图。
图3是可调太赫兹谐振腔的工作状态示意图。
图4是可调太赫兹谐振腔在不同间距下的太赫兹透射谱图。
图中：1、双向旋转电机，2、丝杆，3、直线导轨，4、位移台，5、动板支架，6、平形板，7、太赫兹超结构，8、静板支架，9、紧定螺孔，10、螺纹通孔，11、太赫兹光束。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例，对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
图1所示的基于超结构的可调太赫兹谐振腔包括间距调节模块、固定板模块和移动板模块。
如图1所示，固定板模块包括紧固在直线导轨3一端的静板支架8，以及由静板支架支撑且表面附有太赫兹超结构7的平行板6；其中，平行板6可选用二氧化硅圆片，厚度约为3mm；太赫兹超结构7可选用具有亚波长周期性方孔的人工电磁介质，如金属网栅(推荐镍质网栅或铜质网栅)；使用沉头螺钉将静板支架8固定在直线导轨3上。
如图1、图2所示，移动板模块包括通过位移台4可滑动地定位在直线导轨上的动板支架5，以及由动板支架支撑且表面附有太赫兹超结构7的平行板6；其中，表面附有太赫兹超结构7的平行板6通过动板支架5固定在位移台4上，动板支架5可通过沉头螺钉固定在位移台上。
如图1所示，间距调节模块包括双向旋转电机1以及丝杆2，其中的丝杆与直线导轨3相互平行布置；电机1控制丝杆2转动，通过螺纹传动实现固定板模块中的平行板与移动板模块中的平行板间距的连续调控。
如图2所示，位移台4上开有螺孔10，用于与丝杆2螺纹配合；动板支架 5和静板支架8侧部开制有紧定螺孔9，可通过沉头螺钉固定插入的平行板6。
如图1、图3所示，两块平行板6结构相同又相互平行布置，并且两个平行板板面上的太赫兹超结构相向而对布置；太赫兹超结构可以通过光刻、粘贴、螺栓连接的方式附着在平行板6的表面。
下面结构图1、图3、图4具体说明可调太赫兹谐振腔的工作原理：
两块附有太赫兹超结构7的平行板6平行布置，形成带有一定间距的谐振腔体；固定板模块与直线导轨3紧固，双向旋转电机1转动，通过丝杆2带动位移台4在直线导轨上水平直线移动，从而实现两块平行板6间距的连续调节控制；一束太赫兹光束11垂直于平行板6入射，再透过另一平行板射出并由仪器接收；通过控制电机转动，可实现不同平板6间距下太赫兹透射信号的采集。
下面结合图1、图3具体说明使用该可调太赫兹谐振腔进行物质分析的方法：
S1.测量在未添加任何待测物时不同平板6间距下的太赫兹透射脉冲信号，获得谐振腔的平板6间距透射响应特性，并提取不同平板6间距下谐振峰的频率f0(d)和透射强度T0(d)；
S2.将待测物添加在谐振腔任意一片太赫兹超结构7表面；
S3.测量并记录添加待测物后不同平板6间距下的太赫兹透射信号，获得含待测物的谐振腔平板6间距透射响应特性，并提取不同平板间距下谐振峰的频率fs(d)和透射强度信息Ts(d)；
S4.对于待测物的定性分析：不同平板6间距下会在不同频率处产生不同的谐振，若在某个间距下的谐振峰中出现一个下凹的峰形，则表明待测物在该频率处存在特征吸收，以此实现对待测物的定性分析；
S5.对于待测物的定量分析：通过分析某个固定平板6间距下的谐振峰的频移fs(d)-f0(d)或透射强度变化Ts(d)-T0(d)，进行待测物添加量的分析。
各步骤中所述待测物为薄膜(如塑料薄膜)、粉末压片(如农药抗生素等有害物质)等表面规整的薄片材料。
图4为使用该可调太赫兹谐振腔获取的不同平行板间距下(180μm-280μm) 的太赫兹透过率谱图，随着间距的变化，能呈现不同的太赫兹谐振峰。
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于超结构的可调太赫兹谐振腔，其特征在于：该可调太赫兹谐振腔包括固定板模块、可与固定板模块相对运动的移动板模块以及驱动移动板模块的间距调节模块；
所述固定板模块包括固定在直线导轨(3)一端的静板支架(8)以及由静板支架(8)支撑且表面附有太赫兹超结构(7)的平行板(6)；
所述移动板模块包括通过位移台(4)可滑动地定位在直线导轨(3)上的动板支架(5)以及由动板支架(5)支撑且表面附有太赫兹超结构(7)的平行板(6)；
所述间距调节模块包括与直线导轨(3)平行布置的丝杆(2)以及驱动丝杆(2)的双向旋转电机(1)；所述丝杆与位移台(4)中的螺孔(10)啮合，丝杆的一端与双向旋转电机的转轴固连，以通过螺纹传动实现两个平行板之间间距的连续调控；
所述两个平行板的板面相互平行，两个平行板板面上的太赫兹超结构相向而对布置。
2.根据权利要求1所述的基于超结构的可调太赫兹谐振腔，其特征在于：所述太赫兹超结构为具有亚波长周期性特征结构的人工电磁介质，所述平行板(6)在太赫兹频段具有较低折射率和较弱的吸收。
3.根据权利要求2所述的基于超结构的可调太赫兹谐振腔，其特征在于：所述动板支架和静板支架侧部均开制有紧定螺孔(9)，用于固定插入的平行板。
4.根据权利要求3所述的基于超结构的可调太赫兹谐振腔，其特征在于：所述太赫兹超结构通过光刻或粘贴或螺栓连接的方式附着在平行板的表面。
5.采用权利要求1所述的基于超结构的可调太赫兹谐振腔进行物质分析的方法，按以下步骤进行：
S1.测量在未添加任何待测物时不同平行板间距下的太赫兹透射脉冲信号，获得谐振腔的平行板间距透射响应特性，并提取不同平行板间距下谐振峰的频率f0(d)和透射强度T0(d)；
S2.将待测物添加在谐振腔任意一片太赫兹超结构表面；
S3.测量并记录添加待测物后不同平行板间距下的太赫兹透射信号，获得含待测物的谐振腔平行板间距透射响应特性，并提取不同平行板间距下谐振峰的频率fs(d)和透射强度信息Ts(d)；
S4.对于待测物的定性分析：不同平行板间距下会在不同频率处产生不同的谐振，若在某个间距下的谐振峰中出现一个下凹的峰形，则表明待测物在该频率处存在特征吸收，以此实现对待测物的定性分析；
S5.对于待测物的定量分析：通过分析某个固定平行板间距下的谐振峰的频移fs(d)-f0(d)或透射强度变化Ts(d)-T0(d)，进行待测物添加量的分析。
6.根据权利要求5所述的进行物质分析的方法，其特征在于：所述待测物为薄膜或粉末压片表面规整的薄片材料。
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