CN110160984B - 一种基于超表面和铌酸锂混合结构的片上太赫兹传感增强器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超表面和铌酸锂混合结构的片上太赫兹传感增强器件。其目的在于对微量生物化学物质进行高灵敏度检测。通过调节金属天线的长度和介质层二氧化硅的厚度，实现在更宽的频率范围内对不同药品的探测。采用的方案是：将天线阵列超表面镀在沉积了二氧化硅层的亚波长铌酸锂波导表面，然后在超表面上方涂抹薄层化学药品。通过激发天线局域表面等离子体，从而增强物质对特征频段光的吸收，实现对物质的高灵敏探测。本发明解决了由于样品体积小，与光场作用弱，而造成信号微弱的问题。本发明具有装置简易，体积小，测量种类多，高灵敏度，便于操控等显著特点，广泛适用于生物化学、医学等领域对微量物质的太赫兹特征波谱的传感探测。
Description
技术领域
本发明涉及一种片上太赫兹传感增强器件，特别适用于对微量生物化学药品的太赫兹特征吸收谱检测。
背景技术
太赫兹波段(0.1THz至10THz)是处于微波和红外间的电磁波段，有许多优良性质，例如：太赫兹波穿透性强；光子能量较低(4meV/THz)，不会对生物组织造成光电离损伤；许多生物大分子和化学制品在太赫兹波段有明显的特征吸收峰。因此，利用太赫兹特征谱检测生物化学以及毒品大分子等物质，可广泛应用于生物医学和传感探测等领域。目前，国内对太赫兹频段的探测器件的研究相对较少，由于探测物质尺度很小、探测信号强度较弱等因素的限制，有效的太赫兹传感器需求迫切。因此，太赫兹波段的高灵敏度、微型化探测器件将具有非常广阔的发展前景。
发明内容
本发明旨在于太赫兹平台上，将金属天线阵列沉积在镀有二氧化硅的亚波长铌酸锂波导表面，利用超表面束缚光场能量到混合结构表面从而增强与表面物质的相互作用，从而增强微量化学药品的太赫兹特征吸收检测。
为实现上述目的，本发明采用的方案是：
(1)采用数值计算，模拟不同长度天线的共振峰；
(2)在0.5μm-100μm厚的亚波长铌酸锂波导表面镀一层0.1μm-5μm厚的低折射率的介质层，来提高天线的共振频率，介质层的材料属性为二氧化硅、氟化镁；
(3)采用紫外光刻技术、磁控溅射技术将金属天线阵列沉积到镀有一定厚度二氧化硅的铌酸锂表面，制作出片上太赫兹传感增强器件；
(4)处理实验所用药品，并将药品移到器件表面；
(5)飞秒激光器开启，将产生的脉冲通过分束镜分成两束：泵浦光，探测光；
(6)其中泵浦光经过延迟线，再经过柱透镜线聚焦于铌酸锂表面，产生沿波导传输的太赫兹波；
(7)波导模式激发金属天线的局域表面等离子体，两者之间发生强耦合，波导能量部分转移到了波导表面，从而增强了波导表面的电场强度；
(8)确定天线长轴方向的周期，相邻天线增强的局域电场彼此之间耦合，使得在耦合电场区域，电场强度进一步增强；
(9)耦合区域较强的电场与所要探测的化学药品相互作用，增强了探测物质对特征频率能量的吸收；
(10)结合太赫兹片上平台，被检测物质在沿波导模式的传输方向上有较长的、与表面较强电场相互作用的距离，更进一步增强了对特征能量的吸收；
(11)探测光经BBO倍频晶体、小孔系统滤波整形，垂直入射器件表面，太赫兹在铌酸锂波导内传输并引起了折射率改变，由于光克尔效应和光折变效应，将折射率变化信息以相位变化信息的形式记录，经过4f透镜组成的系统，将相位信息转化为强度信息，在CCD上获得时域瞬态脉冲信号，接着对时域信号做快速傅里叶变换，得到频域信息，分析频谱就可以明显地观察出特征吸收峰，实现了利用时域分辨系统得到频谱信息，进而实现对待测化学药物的特征探测。
其中，步骤(2)中亚波长铌酸锂波导的材料属性为片状铁电晶体，其厚度为0.5μm-100μm，介质层的材料属性为二氧化硅、氟化镁，其厚度为0.1μm-5μm。
优选地，步骤(4)中飞秒激光脉冲的波长为紫外至近红外，重复频率是1Hz至100MHz，脉宽可达5fs至1000fs。
优选地，步骤(6)中使用金属天线阵列将波导能量表面化，为增强物质探测提供途径。
优选地，步骤(7)中增强局域电场的耦合，沿天线长轴方向的相邻天线，其间隙宽度的变化为3μm-50μm。
优选地，步骤(9)中在沿波导模式传输的方向，天线阵列的总长度，即物质与电场的相互作用距离为100μm-1500μm。
优选地，步骤(10)中利用片上增强局域表面等离子体，借助泵浦探测系统实现了对物质的高灵敏探测。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明由于借助较小横截面的波导作为平台对物质探测，因此器件具有体积小的特点。
本发明借助赝局域表面等离子体之前的耦合实现模式传输，增强光与物质的相互作用，设计天线阵列，使沿天线长轴方向的相邻天线的距离很近，导致天线端点处的电场彼此耦合，实现更强烈的电场增强，从而使得吸收峰更加显著。
本发明由于被探测物质是平铺在波导表面的，且波导模式的传输是沿着波导方向的，因此为光与物质的相互作用提供了充足的距离，为对微量物质的高灵敏度探测提供了高效便捷的方式。
本发明只借助光刻技术、磁控溅射技术、飞秒激光泵浦探测技术，因此具有操作简单，成本较低的优势。
附图说明
图1为太赫兹传感器的示意图；
图2为太赫兹传感器的侧视图和俯视图；
图3为时间分辨相衬成像光路图；
图4为不同天线阵列周期的透射谱图；
图5为不同厚度的被探测物的透射谱图。
附图标号如下：
1-天线阵列、2-二氧化硅层、3-铌酸锂波导、4-被探测物质、5-飞秒激光器、6-分束镜、7-第一反射镜、8-第二反射镜、9-延迟线、10-第三反射镜、11-柱透镜、12-太赫兹传感器件、13-偏振片、14-BBO、15-滤波片、16-第五反射镜、17-小孔滤波系统、18-4f系统、19-CCD。
具体实施方案
本发明提出一种在太赫兹集成平台上，基于金属天线阵列可以局域能量到混合结构表面，实现片上太赫兹传感增强。下面将结合附图，对本发明方案作进一步的说明。
附图1为太赫兹传感器件示意图，其中：
1-天线阵列；2-二氧化硅波导；3-铌酸锂波导；4-被探测物质。
附图2为太赫兹传感器件的正视图和俯视图，其中：
h-波导厚度；l-超表面阵列的长度；m-二氧化硅层的厚度；t-被探测物质层的厚度；a、b分别为金属天线的长和宽；g-沿天线长轴方向的相邻天线之间的缝隙宽度；p-沿天线短轴方向的周期间隔。
附图3为时间分辨相衬成像光路图，其中：
5-飞秒激光器、6-分束镜、7-第一反射镜、8-第二反射镜、9-延迟线、10-第三反射镜、11-柱透镜、12-太赫兹传感器件、13-偏振片、14-BBO、15-滤波片、16-第五反射镜、17-小孔滤波系统、18-4f系统、19-CCD。
本发明的实施步骤：
(1)采用数值计算，模拟不同长度天线的共振峰；
(2)在0.5μm-100μm厚的亚波长铌酸锂波导3表面镀一层0.1μm-5μm厚的低折射率的介质层2，来提高天线的共振频率；介质层的材料属性为二氧化硅、氟化镁；
(3)采用紫外光刻技术、磁控溅射技术将金属天线阵列1沉积到镀有一定厚度二氧化硅的铌酸锂表面，制作出片上太赫兹传感增强器件；
(4)处理实验所用药品4，并将药品移到器件表面；
(5)飞秒激光器开启5，将产生的脉冲通过分束镜6分成两束：泵浦光，探测光；
(6)其中泵浦光经过延迟线9，再经过柱透镜11线聚焦于铌酸锂表面，经冲击受激拉曼散射产生沿波导两侧传输的太赫兹波；
(7)波导模式激发金属天线的局域表面等离子体，两者之间发生强耦合，波导能量基本上全部转移到了波导表面，从而增强了波导表面的电场强度；
(8)调节沿天线长轴方向的周期，相邻天线增强的局域电场彼此之间耦合，使得在耦合电场区域的电场强度进一步增强；
(9)较强的电场与所要探测的生物化学药品发生相互作用，进一步增强了探测物质对特征频率能量的吸收；
(10)结合太赫兹片上平台，被检测物质在沿波导模式的传输方向上有较长的、与表面较强电场相互作用的距离，更进一步增强了对特征能量的吸收；
(11)探测光经BBO倍频晶体14、小孔系统滤波17整形，垂直入射器件表面，太赫兹在铌酸锂波导内传输并引起了折射率改变，由于光克尔效应和光折变效应，将折射率变化信息以相位信息的形式记录，再经过4f系统18，将相位信息转化为强度信息，在CCD19上获得太赫兹时域瞬态脉冲信号，接着对太赫兹时域信号做快速傅里叶变换，得到频域信息，分析频谱就可以明显地观察出特征吸收峰，实现了利用太赫兹时域分辨系统对化学药物的特征探测。
实施实例：
一种在太赫兹集成平台上，基于金属天线阵列可以局域能量到混合结构表面，实现太赫兹传感增强的器件。
具体实施步骤如下：
(1)采用数值计算，模拟不同长度天线的共振峰；
(2)在50μm厚的亚波长铌酸锂波导表面镀一层2μm厚的低折射率的二氧化硅层，来提高天线的共振频率，其中铌酸锂晶体的光轴沿x方向；
(3)采用紫外光刻技术、磁控溅射技术将金属天线阵列沉积到镀有2μm厚二氧化硅的铌酸锂表面，制作出片上太赫兹传感增强器件；
(4)处理实验所用药品，药品以乳糖为例。操作中将乳糖溶解到丙酮中，用玻璃棒搅拌均匀；之后，置于超声粉碎机中，将打完的浊液用移液器迅速移到器件表面，接着，将样品置于干燥箱，直到丙酮挥发完全，即可附着一层均匀的药品膜；
(5)飞秒激光器开启，产生了重复频率为1kHz、波长为800nm、脉宽为120fs的激光脉冲，将产生的脉冲通过分束镜分成两束：泵浦光(360mW)，探测光(40mW)；
(6)其中泵浦光经过延迟线，再经过焦距为15mm柱透镜线聚焦于铌酸锂表面，经冲击受激拉曼散射产生沿波导两侧传输的太赫兹波，其中泵浦光、探测光和太赫兹波的偏振方向均沿铌酸锂晶体光轴的方向；
(7)波导模式激发金属天线的局域表面等离子体，两者之间发生强耦合，波导能量基本上全部转移到了波导表面，从而增强了波导表面的电场强度；
(8)较强的电场与所要探测的生物化学药品发生相互作用，进一步增强了探测物质对特征频率能量的吸收；
(9)结合太赫兹片上平台，被检测物质在沿波导模式的传输方向上有较长的、与表面较强电场相互作用的距离，更进一步增强了对特征能量的吸收；
(10)探测光经BBO倍频晶体、小孔系统滤波整形，垂直入射器件表面，太赫兹在铌酸锂波导内传输并引起了折射率改变，由于光克尔效应和光折变效应，将折射率变化信息以相位信息的形式记录，再经过4f系统，将相位信息转化为强度信息，在CCD上获得太赫兹时域瞬态脉冲信号，
(11)对太赫兹时域信号做快速傅里叶变换，得到频域信息，分析频谱就可以明显地观察出特征吸收峰，实现了利用太赫兹时域分辨系统对化学药物的特征探测。
附图4为不同天线阵列周期的透射谱图。将被探测物质直接转移到镀有2μm厚的二氧化硅层的厚度为50μm的亚波长铌酸锂波导表面，此时并没有金属结构，研究发现只有0.07％的吸收。而通过在波导表面镀不同周期数的天线整列，将会得到较明显的吸收，这对于我们对微量物质的探测是非常有意义的。
附图5为不同厚度的被探测物的透射谱图。天线阵列有50个周期，在不同的乳糖厚度下，均有较明显的吸收。
显然，上述的实施实例仅是为了清楚地说明本发明而做的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上，还可以做出其他不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有实施方式予以穷举。由此，所引申的、显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (4)
1.一种基于超表面和铌酸锂混合结构的片上太赫兹传感增强器件，其特征在于，包括：
在0.5 μm - 100 μm厚的亚波长铌酸锂波导表面镀一层0.1 μm - 5 μm厚的低折射率的介质层，来提高天线的共振频率，介质层的材料属性为二氧化硅；
采用紫外光刻技术、磁控溅射技术将金属天线阵列沉积到所述介质层的表面，制作出太赫兹高灵敏度传感器件；
所述太赫兹高灵敏度传感器件用于探测物质特征的步骤包括：
处理实验所用药品，并将药品置于传感器件表面；
飞秒激光器开启，将产生的脉冲通过分束镜分成两束：泵浦光，探测光；
其中泵浦光经过延迟线，再经过柱透镜线聚焦于铌酸锂表面，产生沿波导传输的太赫兹波；
波导模式激发金属天线的局域表面等离子体，两者之间发生强耦合，部分波导能量转移到了波导表面，增强了波导表面分布的电场强度；
确定天线长轴方向的周期和相邻天线的间隙宽度，相邻天线增强的局域电场彼此之间耦合，使得在耦合电场区域，电场强度进一步增强；
耦合区域较强的电场与所要探测的化学药品相互作用，增强了探测物质对特征太赫兹频率电磁波的能量吸收；
结合太赫兹片上平台，被检测物质在波导模式的传输方向有较长的、与表面较强电场相互作用的距离，增强了探测物质对特征太赫兹频率电磁波的能量吸收，其中，较长的相互作用距离为100 μm - 1500 μm；
探测光经BBO倍频晶体、小孔系统滤波整形，垂直入射到器件表面，太赫兹波在铌酸锂波导内传输并引起了折射率改变，由于光克尔效应和光折变效应，将折射率变化信息以相位变化信息的形式记录，经过4f透镜组成的系统，将相位信息转化为强度信息，在CCD上获得时域瞬态脉冲信号，接着对时域瞬态脉冲信号做快速傅里叶变换，得到频域信息，可以观察到特征吸收峰，实现了利用时域分辨系统对待测化学药物的特征探测。
2.根据权利要求1中所述的一种基于超表面和铌酸锂混合结构的片上太赫兹传感增强器件，其特征在于，介质层材料能够替换为氟化镁。
3.根据权利要求1中所述的一种基于超表面和铌酸锂混合结构的片上太赫兹传感增强器件，其特征在于，飞秒激光器产生的脉冲的波长为紫外至近红外，重复频率是1 Hz - 100MHz，脉宽可达5 fs - 1000 fs。
4.根据权利要求1中所述的一种基于超表面和铌酸锂混合结构的片上太赫兹传感增强器件，其特征在于，沿天线长轴方向的相邻天线，其间隙宽度的变化为3 μm - 50 μm。
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