CN109283155A - 一种太赫兹波段超材料传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种太赫兹波段超材料传感器，该传感器包括介质层和附着在所述介质层上的亚波长金属谐振环阵列；其中，所述亚波长金属谐振环阵列包含至少4个谐振环单元，每个所述谐振环单元均包括一四边开口的方形开口谐振环和置于所述方形开口谐振环内的方形谐振环；所述方形开口谐振环与所述方形谐振环均可在太赫兹波激励下实现谐振。本发明所述的太赫兹波段超材料传感器基本谐振环单元结构中的方形开口谐振环和方形谐振环采用嵌套设计，结构简单、性能优越，便于批量制造并且实验结束后方便清洗，满足传感器设计过程中对性价比的需求。

Description

一种太赫兹波段超材料传感器
技术领域
本发明属于太赫兹技术领域，具体涉及一种太赫兹波段超材料传感器。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1-10THz(波长为3mm-30um)范围内的电磁波，它位于红外与微波之间。因其处于电磁波谱的特殊位置，使其具有一系列特殊性质，如低能性、穿透性、指纹谱性等。随着太赫兹波产生和探测技术的发展，太赫兹波以其独特的优势在非电离的生物化学检测方面有着很大潜力。亚波长结构(亦称超材料)一般指该微纳结构的尺寸仅为入射电磁波波长(或共振波长)的十分之一，由于入射电磁波波长远大于超材料物质中基本谐振环单元的尺寸，从而使得入射电磁波只能感应到整个超材料结构的平均效应。即超材料是通过构造宏观无限小的“人工分子或原子”来操控所设计结构的属性，因此它的性质不是主要取决于构成材料的本征性质，而是其人工设计的结构。
传统太赫兹时域光谱(THz-TDS)测量法对相似物质或不同浓度的同种物质进行检测时，会出现谱线重叠、接近，造成不易区分的情况。基于超材料的太赫兹折射率传感器依靠外界物质折射率的变化引起谐振点频率的红移来区分不同的物质和浓度，因此克服了传统THz-TDS方法的缺陷，非常适用于对相似物质或不同浓度物质的检测。
基于LC谐振和偶极振荡模式的超材料，结构设计简单并易于加工，但它们的Q值一般在10以下，不适用于制造出高灵敏度的太赫兹传感器件。为了制造出高Q值的传感器，常用的方法有多个简易谐振环单元的堆叠和嵌套、引入类电磁诱导透明(EIT-like)特性、环形结构上引入开口构造不对称结构等。
电磁诱导透明(EIT)是原子系统中的相干过程，使得原本不透明的介质在吸收区域中诱导出尖锐的透射窗口，同时伴随着强慢光特性和选频特性。然而，EIT的产生需要低温和高强度激光等苛刻的条件，极大地限制了EIT的应用。与传统EIT不同，基于电磁超材料的类电磁诱导透明(EIT-like)在室温下就可获得，不需要苛刻的实验条件。在太赫兹波平面超材料中，EIT-like效应被解释为：由入射太赫兹波在平面超材料表面激发产生的两相干谐振光谱叠加时发生的干涉相消现象使平面超材料对入射太赫兹波呈部分透明，即平面超材料在EIT-like谐振附近对太赫兹波吸收不敏感。基于EIT-like效应的传感器极大地降低了系统的辐射损耗，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更加敏感，增强了器件的传感性能。
目前，已有太赫兹波段超材料传感器灵敏度不够高，难以鉴别某些微量物质或微小浓度物质，限制了传感器的应用。由于传感器的结构形状和尺寸对传感器的性能影响非常大，如何设计出一款结构简单、便于加工、性能稳定的太赫兹超材料传感器，是研究人员需要考虑的重要问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种太赫兹波段超材料传感器。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种太赫兹波段超材料传感器，该传感器包括介质层和附着在所述介质层上的亚波长金属谐振环阵列；其中，所述亚波长金属谐振环阵列包含至少4个谐振环单元，每个所述谐振环单元均包括四边开口的方形开口谐振环和置于所述方形开口谐振环内的方形谐振环；所述方形开口谐振环与所述方形谐振环均可在太赫兹波激励下实现谐振。
可选地，所述方形开口谐振环为一中心对称但轴不对称的四开口谐振环。
可选地，所述四开口谐振环的每条边具有一长边和一短边，每条边的长边相等，每条边的短边相等；所述四开口谐振环的每条边的长边与相邻边的短边连接。
可选地，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50-100μm。
可选地，所述介质层材料为聚酰亚胺，厚度为65μm。
可选地，所述亚波长金属谐振环阵列的材料为金、银、铜中的一种，厚度为0.2-0.4μm。
可选地，所述亚波长金属谐振环阵列的材料为金，厚度为0.2μm。
可选地，所述亚波长金属谐振环阵列中相邻两个谐振环单元之间的间距为10μm。
可选地，所述方形开口谐振环的外边长a为84μm，环宽c为9μm；所述方形谐振环的外边长b为56μm，环宽d为7μm；所述开口大小e为6μm，开口处偏离中心位置的距离f为10μm。
如上所述，本发明的一种太赫兹波段超材料传感器，具有以下有益效果：
本发明所述的太赫兹波段超材料传感器中的亚波长金属谐振环阵列包括若干组相互嵌套的方形开口谐振环和方形谐振环，两谐振环分别产生的谐振光谱之间发生干涉相消现象，造成两个谐振谷Q值提高的同时产生了一个更高Q值的EIT-like谐振峰；
本发明所述的太赫兹波段超材料传感器为一种对称结构，能够有效地防止摆放位置等实验操作对实验结果的影响，且本发明的中心对称但轴不对称的结构与轴对称结构相比具有更高的Q值和灵敏度；
在本发明所述的太赫兹波段超材料传感器中，方形开口谐振环和方形谐振环采用嵌套设计，结构简单、性能优越，便于批量制造并且实验结束后方便清洗，满足传感器设计过程中对性价比的需求。
附图说明
为了进一步阐述本发明所描述的内容，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。应当理解，这些附图仅作为典型示例，而不应看作是对本发明的范围的限定。
图1为本发明所述太赫兹波段超材料传感器的斜视图；
图2为本发明所述太赫兹波段超材料传感器单个谐振环单元的俯视图；
图3为本发明所述太赫兹波段超材料传感器本身透射率谱线图；
图4为本发明所述太赫兹波段超材料传感器的方形开口谐振环在谐振谷处的表面电流分布图；
图5为本发明所述太赫兹波段超材料传感器的方形谐振环在谐振谷处的表面电流分布图；
图6为本发明所述太赫兹波段超材料传感器的方形开口谐振环和方形谐振环两谐振环组合结构时在谐振峰处的表面电流分布图；
图7为本发明所述太赫兹波段超材料传感器覆盖不同折射率物质时透射率谱线图；
图8为本发明所述太赫兹波段超材料传感器谐振点红移与物质折射率的关系；
图9为本发明所述太赫兹波段超材料传感器在不同极化角度下透射率谱线图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1、2所示，本发明提供一种太赫兹波段超材料传感器，该传感器包括介质层2和附着在所述介质层上的亚波长金属谐振环阵列1；其中，所述亚波长金属谐振环阵列包含至少4个谐振环单元11，每个所述谐振环单元均包括四边开口的方形开口谐振环111和置于所述方形开口谐振环内的方形谐振环112，即方形开口谐振环与方形谐振环呈嵌套样式；所述方形开口谐振环与所述方形谐振环均可在太赫兹波激励下实现谐振，通过两谐振的干涉相消现象，产生一个更高Q值的反向EIT-like谐振峰。
于一实施例中，所述方形开口谐振环为一中心对称但轴不对称的四开口谐振环。
于一实施例中，所述四开口谐振环的每条边具有一长边1112和一短边1111，每条边的长边相等，每条边的短边相等；所述四开口谐振环的每条边的长边与相邻边的短边连接。
于一实施例中，介质层材料为高阻硅、聚酰亚胺、石英晶体等中的一种，厚度为50-100μm，本实施例所用为聚酰亚胺，厚度h为65μm。金属层材料为金、银、铜等中的一种，厚度为0.2-0.4μm，本实施例所用为金，厚度为0.2μm。亚波长金属谐振环阵列中相邻两个谐振环单元之间的间距为10μm，方形开口谐振环的外边长a为84μm，环宽c为9μm，开口大小e为6μm，开口处偏离中心位置的距离f为10μm，方形谐振环的外边长b为56μm，环宽d为7μm。
本发明以EIT-like谐振峰为主要测量指标，两谐振谷为辅助测量指标，通过改变传感器表面的介电常数来代替折射率的改变，从而达到传感的效果。在使用时，太赫兹波沿着传感器表面垂直入射，电场沿着y轴方向，图3为传感器本身的透射率谱线图。由图可知，在1.312THz处的谐振谷是由外部方形开口谐振环产生，对应的Q值为30.4；在1.538THz处的谐振谷则是由内部方形谐振环得到，对应的Q值为6.6。两谐振光谱的干涉相消现象，产生了位于1.335THz处的EIT-like谐振峰，对应的Q值为30.5。与单个环形结构相比，嵌套式结构在产生一个高Q值谐振峰的同时也使两谐振谷的Q值均有一定提升。同时，双环嵌套结构简单易制造，非常适用于太赫兹波段物质的传感检测。
为了了解传感器的谐振机理，分别对传感器各个谐振频率点处的表面电流分布进行了模拟计算。图4、5、6分别给出了传感器的方形开口谐振环、方形谐振环和两谐振环组合结构时在谐振点处的表面电流分布图。方形开口谐振环和方形谐振环在两谐振谷处的谐振方式均为偶极子谐振，且表面电流方向相反；当两谐振环组合时，两谐振环之间产生干涉相消，实现了EIT-like效应，产生了位于两谐振谷之间尖锐的透射峰。
图7为将传感器表面添加一层待测物且待测物的折射率改变时太赫兹波分别通过该传感器的透射率曲线。由图可知，随着待测物折射率的逐渐增大，其透射率谱线明显向低频方向移动，即发生相应红移。利用干涉相消产生的EIT-like谐振峰为主要检测指标，通过该频率点在单位折射率内红移变化的量来衡量传感器的灵敏度，两谐振谷为辅助指标。图8反映了折射率与三个谐振点处频率移动的线性关系，f1表示第一个谐振谷，f3表示第二个谐振谷，f2为谐振峰。结果表明，传感器灵敏度能够达到285GHz/RIU。
通过在环形结构上开口能够提高结构透射率谱线的Q值，特别是开口导致的结构不对称更是能将Fano谐振点处的Q值提升到百位数，但不对称的开口谐振环产生的Fano谐振容易受到外界的干扰，从而造成实验误差，如摆放位置的微小变化都会造成透射率谱线的改变。传感器要求所得谱线需实现偏振不敏感特性，而偏振不敏感依赖于结构的中心对称性。本发明在确保传感器结构中心对称的同时，将外环开口处均对应做出相应移动。实验结果表明，与开口位于各边中心处即轴对称结构相比而言，本发明的结构具有更高的传感性能且能实现偏振不敏感特性。图9为将极化角分别设为0°，30°，45°，60°和90°时的透射率谱线图，从图中可以看出相应的透射率谱线均完美重叠在一起，说明本发明的传感器能够实现偏振不敏感。
本发明提出的太赫兹波段超材料传感器，具有灵敏度高、结构简单、便于生产的优点，且传感器谐振环单元的中心对称结构还满足了传感器对极化角度变化不敏感的要求。将该传感器用于太赫兹波段物质传感时，所得透射率谱线图显示传感器对折射率的变化非常敏感，且谐振点的红移趋势与物质折射率呈线性相关，灵敏度高达285GHz/RIU。结果表明，本发明提出的太赫兹波段超材料传感器非常适用于太赫兹波段不同物质或不同浓度的检测，解决了传统太赫兹超材料用于设计传感器时灵敏度低、结构复杂、容易产生实验误差等缺点。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种太赫兹波段超材料传感器，其特征在于，该传感器包括介质层和附着在所述介质层上的亚波长金属谐振环阵列；其中，所述亚波长金属谐振环阵列包含至少4个谐振环单元，每个所述谐振环单元均包括四边开口的方形开口谐振环和置于所述方形开口谐振环内的方形谐振环；所述方形开口谐振环与所述方形谐振环均可在太赫兹波激励下实现谐振。
2.根据权利要求1所述的一种太赫兹波段超材料传感器，其特征在于，所述方形开口谐振环为一中心对称但轴不对称的四开口谐振环。
3.根据权利要求2所述的一种太赫兹波段超材料传感器，其特征在于，所述四开口谐振环的每条边具有一长边和一短边，每条边的长边相等，每条边的短边相等；所述四开口谐振环的每条边的长边与相邻边的短边连接。
4.根据权利要求1所述的一种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50-100μm。
5.根据权利要求4所述的一种太赫兹波段超材料传感器，其特征在于，所述介质层材料为聚酰亚胺，厚度为65μm。
6.根据权利要求4所述的一种太赫兹波段超材料传感器，其特征在于，所述亚波长金属谐振环阵列的材料为金、银、铜中的一种，厚度为0.2-0.4μm。
7.根据权利要求6所述的一种太赫兹波段超材料传感器，其特征在于，所述亚波长金属谐振环阵列的材料为金，厚度为0.2μm。
8.根据权利要求7所述的一种太赫兹波段超材料传感器，其特征在于，所述亚波长金属谐振环阵列中相邻两个谐振环单元之间的间距为10μm。
9.根据权利要求8所述的一种太赫兹波段超材料传感器，其特征在于，所述方形开口谐振环的外边长a为84μm，环宽c为9μm；所述方形谐振环的外边长b为56μm，环宽d为7μm；所述开口大小e为6μm，开口处偏离中心位置的距离f为10μm。
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