CN110361361B - 一种基于高品质因数全介质超表面的折射率传感器及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于高品质因数全介质超表面的折射率传感器，包括透明衬底以及呈周期性阵列分布于透明衬底表面的超表面结构，该超表面结构采用全介质材料，为亚波长厚度。本发明无金属结构，无欧姆损耗，无生物毒性，不会影响待测对象活性。且利用超表面结构，作用区域短，有望实现高速响应。此外，本发明基于介质材料，例如半导体材料，有利于未来实现CMOS集成。不仅如此，设计理论可以推广至其他波段，例如太赫兹波段，利用高折射率、低损耗的介质超表面结构进行不同工作波段的折射率或生物分子指纹探测。

Description

一种基于高品质因数全介质超表面的折射率传感器及应用
技术领域
本发明属于光学传感领域，具体是一种基于高品质因数全介质超表面的折射率传感器及应用。
背景技术
利用基于光学谐振的微纳结构实现简单、高灵敏度的折射率传感具有十分重要的应用价值。特别是在进行生物分子探测方面，该方法避免了利用荧光染料标记待测生物分子的复杂操作，而直接测量由于引入待测分子导致的溶液折射率微小变化。越小的折射率探测极限值，意味着可以对更低浓度的分子进行高灵敏度探测。
用于折射率传感的典型光学谐振器件包括基于微流控技术的波导或光纤结构，虽然该类器件具有极高的探测灵敏度，但其加工程序相对复杂，且器件工作区域长度较长(一般在厘米量级)，不利于未来实现高速紧凑的光学集成。
而基于超薄二维超表面结构的折射率传感器因其亚波长尺度的作用距离以及相对应极高的模场增强，可以用于高速以及高灵敏度的折射率探测。而目前采用超表面结构的折射率传感器主要是基于二维金属光栅结构或者高折射率的介质光栅结构。采用金属结构有如下若干方面的局限：其一便是金属结构中的欧姆损耗会导致难以获得高品质因数的光学响应(谐振峰带宽较宽)，从而影响探测极限/灵敏度；其二便是金属结构不利于与现有CMOS工艺集成，且金属具有一定的生物毒性，不利于应用于生物分子探测。而目前采用的高折射率介质二维光栅结构(例如，硅盘结构)，均是基于单谐振模式，调控自由度较低；并且由于材料损耗，均无法在波长1μm以下实现高品质因数的谐振特性，这大大限制了其有效工作带宽以及器件尺寸的进一步缩小。
综上所述，目前还没有便捷而安全的解决方法，能够在工作波长1μm以下的波段实现基于全介质超表面结构的高灵敏折射率传感器。
发明内容
本发明针对上述现有构想与技术的不足，利用全介质超表面结构支持多极子米氏模式，并通过调控其相互干涉激发出存在于入射频带中的高品质因数的准束缚模式，提出了一种基于高品质因数全介质超表面的折射率传感器。
本发明采用了全介质结构，具体解决方案如下：
一种基于高品质因数全介质超表面的折射率传感器，包括透明衬底以及呈周期性阵列分布于透明衬底表面的超表面结构，该超表面结构采用全介质材料，为亚波长厚度。
本发明折射率传感器沿光线传播方向依次包括亚波长厚度的超表面结构、透明衬底；所述的透明衬底主要起支撑超表面结构的作用，对入射光几乎透明，没有吸收；可以选择普通玻璃(SiO2)、氟化钙玻璃(CaF2)、透明塑料等；
所述的超表面结构在透明衬底表面呈周期性阵列分布；入射光谐振峰值波长由超表面结构的尺寸和阵列周期决定。
作为优选，所述的超表面由高折射率、低损耗或无损耗的介质材料构成，包括硅、锗等。
通过选择合适的结构尺寸和介质材料，所述的超表面工作波段可以是可见、近红外、中红外或太赫兹波段。其中，以近红外工作波段为例，超表面采用晶体硅，结构高度范围为100-600nm，为亚波长尺度。
入射光照射在超表面结构上，会激发高品质因数的电偶极子和磁偶极子准束缚模式。当衬底折射率与背景折射率相同时，电偶极子和磁偶极子准束缚模式不发生耦合，在特定波长处重合；而当背景折射率发生变化时，电偶极子和磁偶极子准束缚模式因为对称性破坏发生强耦合，透射谷在频域上发生劈裂，且背景折射率与衬底相差越大劈裂越大，该特征可用于高灵敏度地测量背景折射率。
本发明提供了一种工作在波长1μm以下的高灵敏度折射率传感器。
所述的超表面结构通过反应离子刻蚀工艺实现。
所述的超表面的复合单元由若干不同尺寸或不同取向排列的亚单元结构组成，而其亚单元结构为椭圆柱、椭球、长方体或L型结构，故最终结构的面内对称性遭到破坏，最终结构的面内对称性较低。可以支持高品质因数的准束缚模式谐振，从而提高探测灵敏度。作为优选，所述超表面结构为椭圆柱、椭球、长方体或L型结构。
作为优选，所述超表面结构呈周期性阵列分布于透明衬底表面的椭圆结构，且相邻两个椭圆结构的长轴不重合，且不平行。
作为优选，所述超表面结构沿X轴和Y轴方向呈周期性阵列分布，相邻两个椭圆结构的长轴与X轴或Y轴之间的夹角均相等，且方向相反。即，相邻(可以是Y轴方向的相邻，也可以是X轴方向的相邻)两个椭圆结构形成镜面对称。
作为优选，每个椭圆结构长轴直径为250～500nm，短轴直径为
80～150nm，且Y轴方向排列周期为600～800nm，X轴方向排列周期为500～700nm。
作为优选，本发明的传感器的工作波长为1μm以下；进一步优选为840～900nm。
本发明还提供了一种上述任一项技术方案所述的基于高品质因数全介质超表面的折射率传感器在检测环境折射率的应用。本发明的传感器具有两种工作模式，即通过测量超表面结构透射谱移动或单波长上透射强度变化来探测环境折射率的大小。作为优选，待检测的环境折射率为1.3～1.6之间。
本发明的折射率传感器主要应用有二个方面：(1)进行溶液环境中的高灵敏度折射率探测；(2)进行特征峰(透射、反射或吸收峰)在波长1μm以下的生物分子无毒高灵敏识别或探测。
本发明的优点是：(1)无金属结构，无欧姆损耗，无生物毒性，不会影响待测对象活性。(2)超表面结构，作用距离短，有望实现高速响应。(3)基于介质材料，包括半导体材料，有利于未来实现CMOS集成。(4)设计理论可以推广至其他波段，包括太赫兹波段，利用高折射率、低损耗或无损耗的介质超表面结构进行不同工作波段的折射率或生物分子探测。
附图说明
图1为本发明基于高品质因数全介质超表面的折射率传感器系统示意图；
图2为实施例1所述折射率传感器响应特性及其工作模式。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明：本实施方式案例以本发明提出的一种基于高品质因数全介质超表面的折射率传感器系统为前提，但本发明的保护范围并不限于下述实施方式与案例。
如图1所示，列举一种基于高品质因数全介质超表面的折射率传感器系统包括超表面结构和透明衬底的光学器件。二维椭圆盘形阵列位于透明衬底上，材质为晶态硅，其中Y向周期为720nm，X向周期为620nm，椭圆盘结构长轴直径a＝300nm，短轴直径为b＝110nm，高度为h＝180nm，长轴沿Y轴方向步骤，且面内旋转角度θ为9°，即椭圆长轴沿Y轴正向顺时针方向或者逆时针方向旋转角度θ，相邻(包括X向和Y向的相邻)两个椭圆旋转方向相反，X方向上，相邻两个椭圆沿平行于Y轴的镜面对称，Y方向上，相邻两个椭圆沿平行于X轴的镜面对称。工作波长在840nm-900nm附近。
基于高品质因数全介质超表面的折射率传感器系统制作过程包括以下步骤：
1)在清洁的透明衬底(可以是普通玻璃(SiO2)、氟化钙玻璃(CaF2)、透明塑料等)，本实施例中选择普通玻璃(SiO2,n＝1.5，n为折射率)，在透明衬底上沉积厚度为180nm的晶态硅。2)在沉积的硅薄膜上均匀涂上适当厚度电子束刻胶(或称电子束胶、电子束光刻胶)，用电子束曝光工艺曝光出周期性图案。3)然后进行显影，定影。4)针对暴露出来的硅部分，进行反应离子刻蚀。5)氧离子去除剩余电子束刻蚀胶，得到高品质因数的超表面结构。
如图2所示，器件尺寸结构与实施例1相同，图2(a)展示该结构在不同环境折射率下的透射谱。由图可知，当背景折射率与衬底折射率相同(均为1.5)时，电偶极子和磁偶极子准束缚模式在波长877nm处重合，频谱响应只有一个谷，透射接近0；而当背景折射率与衬底折射率不同时，两准束缚模式分离，随背景折射率减小而蓝移，且背景折射率对电偶极子准束缚模式影响更大。器件响应带宽大约为2.5nm，对应谐振的品质因数高达350。图2(b)和(c)展示了该折射率传感器的工作模式一：即通过探测透射谷频谱移动测量背景折射率大小(n＝1.4～1.5)。例如，通过监测电偶极子准束缚模式的移动，可以得到约270nm/RIU的高灵敏度，结合谐振带宽可知探测品质因子(Figure of Merit)高达108；而监测两准束缚模式相对移动可得灵敏度170nm/RIU。图2(d)展示了该折射率传感器的工作模式二：探测单波长处透射谱的强度用于测量背景折射率大小(n＝1.47～1.5，阴影区域)。工作模式二可以用于背景折射率与衬底折射率接近时的高分辨率探测。
此外，可以通过预先标定，确定待测溶液折射率与组份和/或浓度之间的关系。故利用本发明中的传感器，可以根据折射率数值的不同，间接实现对溶液中化学样品定性或者定量地检测。

Claims (2)

1.一种基于高品质因数全介质超表面的折射率传感器，其特征在于，包括透明衬底以及呈周期性阵列分布于透明衬底表面的超表面结构，该超表面结构采用全介质材料，为亚波长厚度；
所述超表面结构呈周期性阵列分布于透明衬底表面的椭圆结构，且相邻两个椭圆结构的长轴不重合，且不平行；
所述超表面结构沿X轴和Y轴方向呈周期性阵列分布，相邻两个椭圆结构的长轴与X轴或Y轴之间的夹角均相等，且方向相反；
每个椭圆结构长轴直径为250～500nm，短轴直径为80～150nm，且Y向排列周期为600～800nm，X向排列周期为500～700nm；
工作波长为1微米以下；
其工作波段为近红外工作波段，超表面结构采用晶体硅；
所述超表面结构高度范围为100-600nm。
2.一种权利要求1所述的基于高品质因数全介质超表面的折射率传感器在检测环境折射率的应用。
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