CN110031428B - 一种基于超表面的双通道液体折射率传感系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于超表面的双通道液体折射率传感系统，包括：超表面传感芯片、单波长激光器以及两个偏振检测器；超表面传感芯片包括透明衬底以及二维金属纳米天线阵列；二维金属纳米天线阵列用以与被检测液体介质相接触，形成激光垂直入射时的超表面；单波长激光器，用以垂直发出单一波长光波，在超表面与二维金属纳米天线阵列形成共振；二维金属纳米天线阵列包括第一金属纳米天线阵列，以及第二金属纳米天线阵列，在与单一波长光波共振后实现不同衍射级的偏振异化响应；两个偏振检测器，置于透明衬底透射面的另一侧，对不同衍射级的偏振异化响应进行检测。本发明具有体积小易集成、成本低、高灵敏度、高信噪比、抗干扰能力强的优点。

Description

一种基于超表面的双通道液体折射率传感系统
技术领域
本发明涉及光器件技术领域，尤其涉及一种基于超表面的双通道液体折射率传感系统。
背景技术
超表面是一种人工二维电磁材料。超表面可以实现对电磁波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性进行灵活调控。目前，基于超表面的传感系统主要是利用局域表面等离子体共振(LSPR)受外界环境的影响来实现传感，在研究中，通常使用LSPR谱线的漂移来表征传感参数。在实际应用中，需要对LSPR谱线的共振峰进行检测和区分，但由于等离子体系统的固有损耗是不可避免的，对极宽的线宽是很难检测和区分的。而且利用光谱响应来表征外界环境参数，现有系统的传感性能就非常依赖于体型巨大且价格昂贵的宽带光源、光谱仪和高分辨率的分光计，因此，不利于传感系统的集成和快速动态响应，其体积大、成本高、灵敏度低，信噪比(SNR)也不高。
发明内容
有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种基于超表面的双通道液体折射率传感系统，其具有体积小易集成、成本低、高灵敏度、高信噪比、抗干扰能力强的优点。
一种基于超表面的双通道液体折射率传感系统，包括：超表面传感芯片、单波长激光器以及两个偏振检测器；
所述超表面传感芯片包括透明衬底以及贴附在所述透明衬底底面上的二维金属纳米天线阵列；所述二维金属纳米天线阵列用以与被检测液体介质相接触，形成激光垂直入射时的超表面；
所述单波长激光器，置于所述被检测液体介质的另一侧，用以垂直发出单一波长光波，在所述超表面与所述二维金属纳米天线阵列形成共振；
所述二维金属纳米天线阵列包括按照第一周期规律排列的第一金属纳米天线阵列，以及按照第二周期规律排列的第二金属纳米天线阵列，在与所述单一波长光波共振后实现不同衍射级的偏振异化响应；
所述两个偏振检测器，置于所述透明衬底透射面的另一侧，对所述不同衍射级的偏振异化响应进行检测。
所述按照第一周期规律排列的第一金属纳米天线阵列，包括沿着所述超表面X轴方向排列的多个矩形形状的第一金属纳米天线，且相邻两个第一金属纳米天线在X轴正方向上具有固定的旋转角；
所述按照第二周期规律排列的第二金属纳米天线阵列，包括沿着所述超表面X轴方向排列的多个矩形形状的第二金属纳米天线，且相邻两个第二金属纳米天线在X轴负方向上具有固定的旋转角。
所述旋转角角度为36°。
所述第一金属纳米天线阵列与所述第二金属纳米天线阵列，沿平行于X轴的一对称轴呈镜像分布。
任意X轴方向或Y轴方向相邻的两金属纳米天线，其矩形中心的间距为固定值。
所述固定值为450nm。
所述第一金属纳米天线，其矩形长为310nm，宽为100nm；所述第二金属纳米天线，其矩形长为300nm，宽为140nm。
所述第一金属纳米天线和所述第二金属纳米天线的厚度均为50nm。
所述第一金属纳米天线和所述第二金属纳米天线的材质为金。
所述单波长激光器，发出的单一波长光波波长为1550nm。
本发明提供的基于超表面的双通道液体折射率传感系统，二维金属纳米天线阵列包括按照第一周期规律排列的第一金属纳米天线阵列，以及按照第二周期规律排列的第二金属纳米天线阵列，在与单一波长光波共振后实现不同衍射级的偏振异化响应，再利用两个简单的偏振检测器进行检测，就很容易对两个衍射级的偏振态进行分辨和检测，也不需要其它大型且昂贵的设备，故具有体积小易集成、成本低、高灵敏度、高信噪比、抗干扰能力强的优点。
附图说明
图1是本发明基于超表面的双通道液体折射率传感系统的结构示意图；
图2是超表面传感芯片的左视图；
图3是超表面传感芯片的俯视图。
具体标号
1.超表面传感芯片 2.第一金属纳米天线 3.第二金属纳米天线
4.透明衬底 5.第一偏振检测器 6.第二偏振检测器
7.单一波长激光器
8.被检测液体介质
具体实施方式
参见图1，在本发明的一个实施例中，提供了一种基于超表面的双通道液体折射率传感系统，包括：超表面传感芯片1、单波长激光器7以及两个偏振检测器5和6。
具体的，超表面传感芯片1包括透明衬底4(例如可以但不限于是二氧化硅玻璃)以及贴附在透明衬底4底面上的二维金属纳米天线阵列。二维金属纳米天线阵列用以与被检测液体介质8相接触，形成激光垂直入射时的超表面。单波长激光器7，置于被检测液体介质8的另一侧，用以垂直发出单一波长光波，在超表面与二维金属纳米天线阵列形成共振。
更为具体的，二维金属纳米天线阵列包括按照第一周期规律排列的第一金属纳米天线2阵列，以及按照第二周期规律排列的第二金属纳米天线3阵列，在与单一波长光波共振后实现不同衍射级的偏振异化响应。两个偏振检测器5和6，置于透明衬底4透射面的另一侧，对不同衍射级的偏振异化响应进行检测。
本发明实施例提供的基于超表面的双通道液体折射率传感系统，实现了双通道的偏振和检测，二维金属纳米天线阵列包括按照第一周期规律排列的第一金属纳米天线阵列，以及按照第二周期规律排列的第二金属纳米天线阵列，在与单一波长光波共振后实现不同衍射级的偏振异化响应，再利用两个简单的偏振检测器进行检测，就很容易对两个衍射级的偏振态进行分辨和检测，相比于传统的传感系统，也不需要其它大型且昂贵的设备，故具有体积小易集成、成本低、高灵敏度、高信噪比、抗干扰能力强的优点。
参见图1、图2和图3，在本发明一个优选的实施例中，将对本发明一种基于超表面的双通道液体折射率传感系统的结构、原理和应用场景进行详细的论述。
本实施例中的一种基于超表面的双通道液体折射率传感系统，包括：超表面传感芯片1、单波长激光器7以及两个偏振检测器5和6。超表面传感芯片1包括透明衬底4以及贴附在透明衬底4底面上的二维金属纳米天线阵列。二维金属纳米天线阵列用以与被检测液体介质8相接触，形成激光垂直入射时的超表面。单波长激光器7，置于被检测液体介质8的另一侧，用以垂直发出单一波长光波，在超表面与二维金属纳米天线阵列形成共振。
如图3，按照第一周期规律排列的第一金属纳米天线2阵列，包括沿着所述超表面X轴方向(图中示意的纸平面的横向方向)排列的多个矩形形状的第一金属纳米天线2，且相邻两个第一金属纳米天线2在X轴正方向上具有固定的旋转角。按照第二周期规律排列的第二金属纳米天线3阵列，包括沿着超表面X轴方向排列的多个矩形形状的第二金属纳米天线3，且相邻两个第二金属纳米天线3在X轴负方向上具有固定的旋转角。具体的，该旋转角角度为36°。第一金属纳米天线2阵列与第二金属纳米天线3阵列，沿平行于X轴的一对称轴呈镜像分布。本实施例中，任意X轴方向或Y轴方向相邻的两金属纳米天线，其矩形中心的间距为固定值。该固定值为450nm。具体的，第一金属纳米天线2，其矩形长为310nm，宽为100nm；第二金属纳米天线3，其矩形长为300nm，宽为140nm。第一金属纳米天线和第二金属纳米天线的厚度均为50nm。第一金属纳米天线和第二金属纳米天线的材质为金。单波长激光器，发出的单一波长光波波长为1550nm。
本实施例中，单波长激光器7发出的入射光垂直入射到超表面传感芯片表面发生衍射，由于超表面Y轴方向的晶格常数是亚波长，因此衍射只发生在X轴方向。衍射既产生于反射两侧又产生于透射两侧，可以应用于不同的检测条件。本发明采用透射检测，避免了折射率对衍射的影响。第一金属纳米天线2和第二金属纳米天线3由于各向异性共振有显著差异，在通信波长可以看作局域偶极子，偶极子的辐射场有三个分量组成。其中极化分量与激发场相同，产生正常反射和透射；其他两个自旋分量都有相对于激发场的不连续性相位，但有相反的符号，这有助于不同自旋分量的空间分离。因此，通过调节偶极子的旋转方向，可以分别控制±1个衍射级的手性。通过组装两种不同旋转方向的偶极子，使±1衍射级的电场由不同偶极子辐射的衍射场的相干叠加而得。当不同自旋分量的强度近似相等时，±1衍射级的场均近似为线性，但具有相反的旋转角，由于受外界环境影响，±1衍射级的线性极化随传感器系统所处环境的折射率的变化而反向旋转。因此±1衍射级可以形成双通道检测。-1衍射级由第一偏振检测器5来检测，+1衍射级由第二偏振检测器6来检测。研究结果表明，在被检测液体介质的折射率从1.30变化到1.50的过程中，±1衍射级的线性极化随相邻介质折射率的变化而灵敏地往相反的方向旋转，传感器的灵敏度能达到185°/RIU。
由此说明，本发明提供的基于超表面的双通道液体折射率传感系统，实现了双通道的偏振极化和检测，相比于传统的技术，具有体积小易集成、成本低、高灵敏度、高信噪比、抗干扰能力强的优点。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种基于超表面的双通道液体折射率传感系统，其特征在于，包括：超表面传感芯片、单波长激光器以及两个偏振检测器；
所述超表面传感芯片包括透明衬底以及贴附在所述透明衬底底面上的二维金属纳米天线阵列；所述二维金属纳米天线阵列用以与被检测液体介质相接触，形成激光垂直入射时的超表面；
所述单波长激光器，置于所述被检测液体介质的另一侧，用以垂直发出单一波长光波，在所述超表面与所述二维金属纳米天线阵列形成共振；
所述二维金属纳米天线阵列包括按照第一周期规律排列的第一金属纳米天线阵列，以及按照第二周期规律排列的第二金属纳米天线阵列，在与所述单一波长光波共振后实现不同衍射级的偏振异化响应；
所述两个偏振检测器，置于所述透明衬底透射面的另一侧，对所述不同衍射级的偏振异化响应进行检测；
所述按照第一周期规律排列的第一金属纳米天线阵列，包括沿着所述超表面X轴方向排列的多个矩形形状的第一金属纳米天线，且相邻两个第一金属纳米天线在X轴正方向上具有固定的旋转角；
所述按照第二周期规律排列的第二金属纳米天线阵列，包括沿着所述超表面X轴方向排列的多个矩形形状的第二金属纳米天线，且相邻两个第二金属纳米天线在X轴负方向上具有固定的旋转角。
2.根据权利要求1所述的基于超表面的双通道液体折射率传感系统，其特征在于：所述旋转角角度为36°。
3.根据权利要求1或2所述的基于超表面的双通道液体折射率传感系统，其特征在于，所述第一金属纳米天线阵列与所述第二金属纳米天线阵列，沿平行于X轴的一对称轴呈镜像分布。
4.根据权利要求3所述的基于超表面的双通道液体折射率传感系统，其特征在于，任意X轴方向或Y轴方向相邻的两金属纳米天线，其矩形中心的间距为固定值。
5.根据权利要求4所述的基于超表面的双通道液体折射率传感系统，其特征在于，所述固定值为450nm。
6.根据权利要求1或2所述的基于超表面的双通道液体折射率传感系统，其特征在于，所述第一金属纳米天线，其矩形长为310nm，宽为100nm；所述第二金属纳米天线，其矩形长为300nm，宽为140nm。
7.根据权利要求6所述的基于超表面的双通道液体折射率传感系统，其特征在于，所述第一金属纳米天线和所述第二金属纳米天线的厚度均为50nm。
8.根据权利要求7所述的基于超表面的双通道液体折射率传感系统，其特征在于，所述第一金属纳米天线和所述第二金属纳米天线的材质为金。
9.根据权利要求1所述的基于超表面的双通道液体折射率传感系统，其特征在于，所述单波长激光器，发出的单一波长光波波长为1550nm。
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