CN108572162B - 一种基于类电磁诱导透明效应的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基于电磁诱导透明效应的太赫兹波段超材料传感器。该传感器包括介质层和其上的亚波长金属阵列的超材料，亚波长金属阵列由多个由开口圆形谐振环和开口方形谐振环组合而成。在太赫兹波激励下，单独的开口圆形谐振环和开口方形谐振环分别表现为“亮”模式和“暗模式”；当两谐振环组合，两间距为80.0‑85.0μm时，亮暗模相互耦合，产生破坏性干涉，实现了类EIT效应，在谐振点附近产生了尖锐的透射峰。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‑800GHz频率范围内的折射率传感功能。

Description

一种基于类电磁诱导透明效应的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领域，具体是一种基于类电磁诱导透明效应的超材料的折射率传感器。
背景技术
太赫兹(Terahertz，简称THz)辐射通常是指频率介于微波和红外波段之间的电磁辐射，是电磁波谱上由电子学向光子学过渡的特殊区域，其频率范围为0.1～10THz。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。超材料通常是指自然界中天然媒质所不具备的奇异电磁特性的人工复合结构或复合材料的统称，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。由于超材料具有对外界环境敏感的特性，它的谐振频率依靠于外界介电环境的改变，因此可将超材料用于太赫兹传感技术中，如化学、生物物质的探测等。
基于超材料的太赫兹折射率传感器通常是由于谐振器本身产生较为明显的谐振，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。
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的方法。本发明的技术方案如下：
一种基于类电磁诱导透明效应的太赫兹波段超材料传感器，包括：介质层，所述介质层上还依附设置有亚波长金属阵列的超材料层，所述亚波长金属阵列包含多个开口圆形谐振环(1)和开口方形谐振环(2)组成的谐振结构单元，通过谐振结构单元产生的类EIT峰的平移量来衡量传感器的灵敏度。
进一步的，在太赫兹波激励下，开口圆形谐振环表现为“亮”模式，具有大Q值，而开口方形谐振环表现为“暗模式”，具有小Q值，当两谐振环组合，两间距为80.0-85.0μm时，亮暗模相互耦合，产生破坏性干涉，实现了类EIT效应，在谐振点附近产生了尖锐的透射峰，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，
进一步的，所述超材料层沿着x、y方向周期性排列，开口圆形谐振环(1)和开口方形谐振环(2)的开口数都为1个。
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50.0-100.0um，亚波长金属阵列的超材料层为金属层，其材料为为金、银、铜中的一种，厚度为3.0-5.0μm。
进一步的，所述圆形开口谐振环(1)外半径r2为34.0μm，内半径r1为18.0μm，开口g为24.0μm。所述方形开口谐振环(2)的长l1＝32.0μm，l2＝32.0μm，宽w1＝20.0μm，w2＝16.0μm。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明的创新点在于，开口圆形谐振环具有高Q值，在谐振过程中表现出“亮模式”，而开口方形谐振环具有低的Q值，表现出“暗模式”。当两谐振环构成组合时，明暗模式发生了强耦合，产生破坏性干涉，实现了类EIT效应，产生尖锐的透射峰。通过尖锐透射峰的实现，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。
所述圆形开口谐振环(1)外半径r2为34.0μm，内半径r1为18.0μm，开口g为24.0μm。所述方形开口谐振环(2)的长l1＝32.0μm，l2＝32.0μm，宽w1＝20.0μm，w2＝16.0μm。在上述超材料结构中，结构尺寸会对两谐振环之间的耦合和透射光谱产生强烈影响，当结构尺寸的参数取上述时，亮暗模可实现最强的耦合，半峰全宽和透射率可同时达到最好状态，易于实现高灵敏度的传感。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例基于类EIT效应的太赫兹波折射率传感器平面结构示意图；
图2圆形开口谐振环、方形开口谐振环和组合谐振环结构的透射谱线；
图3谐振环组合结构在两透射隙0.622THz(ω1)，(c)0.692THz(ω3)和透射峰(b)0.683THz(ω2)处的电流分布；
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：
本发明的太赫兹波折射率传感器如图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开口谐振环组成的结构单元，每个所述谐振环单元整体为圆形开口谐振环和方形开口谐振环的组合结构。在太赫兹波激励下，开口圆形谐振环表现为“亮”模式，具有大Q值，而开口方形谐振环表现为“暗模式”，具有小Q值。当两谐振环组合，两间距为80.0-85.0μm时，亮暗模相互耦合，产生破坏性干涉，实现了类EIT效应，在谐振点附近产生了尖锐的透射峰，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。传感器包括圆形开口谐振环(1)、方形开口谐振环(2)。
本实施例1以超材料结构单元以180μm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组成的结构单元，每个所述谐振环单元整体均为圆形开口谐振环和方形开口谐振环的组合结构，两谐振环的间距为85μm。
所述介质层材料为高阻硅，厚度为50.0um。
所述金属层材料为金属金，厚度为3um。
所述圆形开口谐振环外半径r2为34.0μm，内半径r1为18.0μm，开口g为24.0μm。
所述方形开口谐振环的长l1＝32.0μm，l2＝32.0μm，宽w1＝20.0μm，w2＝16.0μm。
图2为实施示例1中圆形开口谐振环、方形开口谐振环和两谐振环组合结构时的透射率谱线图，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，当圆形开口谐振环和方形开口谐振环单独激励时，在几乎相同的频率处产生了谐振，谐振点分别为0.688THz和0.693THz。且圆形开口谐振环表现为“亮”模，具有高的Q值，Q值为69，方形开口谐振环表现为“暗”模，相对于亮模，具有较低的Q值，其值为46。当圆形开口谐振环和方形开口谐振环组合激励时，亮暗模耦合，产生相消干涉，实现了类EIT效应，在0.683THz处产生了尖锐的透射峰，和两谐振环单独激励时相比，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85。
图3为谐振环组合结构在两透射隙0.622THz(ω1)，(c)0.692THz(ω3)和透射峰(b)0.683THz(ω2)处的电流分布。ω1处表示在CSRR和SSRR中有着顺时针方向的感应电流，其本质上类似于LC谐振，而ω3处具有逆时针方向的表面电流，这被认为是与自由空间强耦合的偶极子共振，因此电流比ω1处的弱。此外，在类似EIT的峰值ω2处，观察到CSRR周围的表面电流处为向右平行，而SSRR中的表面电流向左平行，由于在ω1、ω1处的破坏性干涉，使得其峰值电流比其他两个传输隙更强。
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0.683THz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3um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85、折射率灵敏度为72GHz/RIU、FOM值为10.4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 (2)

1.一种基于类电磁诱导透明效应的太赫兹波段超材料传感器，包括：介质层，其特征在于，所述介质层上还依附设置有亚波长金属阵列的超材料层，所述亚波长金属阵列包含多个圆形开口谐振环(1)和方形开口谐振环(2)组成的谐振结构单元，所述圆形开口谐振环(1)的开口和方形开口谐振环(2)的开口相对设置，通过谐振结构单元产生的类EIT峰的平移量来衡量传感器的灵敏度；在太赫兹波激励下，圆形开口谐振环表现为“亮”模式，具有大Q值，而方形开口谐振环表现为“暗模式”，具有小Q值，当两谐振环组合，两间距为80.0-85.0μm时，亮暗模相互耦合，产生破坏性干涉，实现了类EIT效应，在谐振点附近产生了尖锐的透射峰，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，所述超材料层沿着x、y方向周期性排列，圆形开口谐振环(1)和方形开口谐振环(2)的开口数都为1个。
2.根据权利要求1所述的一种基于类电磁诱导透明效应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，亚波长金属阵列的超材料层为金属层，其材料为金、银、铜中的一种，厚度为3.0-5.0μm。
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