CN111214237A - 基于角度多路复用的宽带太赫兹分子指纹痕量检测光栅 - Google Patents

基于角度多路复用的宽带太赫兹分子指纹痕量检测光栅 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光栅技术领域，提供了一种基于角度多路复用的宽带太赫兹分子指纹痕量检测光栅，所述检测光栅包括：金属层、衬底层、光栅层和共形层；其中，金属层和衬底层自下而上复合形成；光栅层呈周期性均匀分布在衬底层上；共形层在光源通过预设的动态角度扫描检测光栅时均匀涂覆在衬底层和光栅层表面。本发明实施例提供的基于角度多路复用的宽带太赫兹分子指纹痕量检测光栅，在进行痕量检测时，不但可以增加光和物质间的相互作用，还可以有效提高对待测物质的感知性能，提高了检测的精准度。

Description

基于角度多路复用的宽带太赫兹分子指纹痕量检测光栅
技术领域
本发明属于光栅技术领域，尤其涉及一种基于角度多路复用的宽带太赫兹分子指纹痕量检测光栅。
背景技术
许多复杂分子在太赫兹频率下具有分子内或分子间的旋转或振动模式，这种模式可以通过吸收光谱的显著特征来表征。由于太赫兹探测具有非破坏性，所以在生物和安全传感应用中具有巨大的应用前景。但是，因为被检测的分子与太赫兹波长相比，尺寸相对较小，这导致被检测分子与太赫兹波之间的相互作用非常弱，因此通常要求样品具有较大的体积并且可以观察到太赫兹吸收指纹谱才可以进行分子鉴定。然而，在痕量分子的检测中，由于波长不匹配和缺少强大光源，极大阻碍了太赫兹探测向更广泛的方向发展。
为了解决上述问题，科研人员利用亚波长的局部增强特性，在太赫兹天线阵列、表面等离激元和超材料等方面做了很多努力。但这些方法具有较大的固有金属阻尼，光和检测物质间的相互作用受到金属吸收干扰很强，使痕量检测的精准度不高。
发明内容
本发明实施例提供一种基于角度多路复用的宽带太赫兹分子指纹痕量检测光栅，旨在解决现有的检测方法具有较大的固有金属阻尼，光和检测物质间的相互作用受到金属吸收干扰很强，使痕量检测的精准度不高的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种基于角度多路复用的宽带太赫兹分子指纹痕量检测光栅，所述检测光栅包括：
金属层、衬底层、光栅层和共形层；其中，
所述金属层和所述衬底层自下而上复合形成；
所述光栅层呈周期性均匀分布在所述衬底层上；
所述共形层在光源通过预设的动态角度扫描所述检测光栅时均匀涂覆在所述衬底层和所述光栅层表面。
可选的，所述金属层、衬底层和光栅层组成介质光栅单元结构，所述金属层的材质为铝，所述衬底层的材质为聚甲基乙烯，所述光栅层的材质为聚乙烯。
可选的，所述预设的动态角度的角度范围为5°-60°。
可选的，在太赫兹波段范围内，所述聚甲基乙烯的折射率范围为1.44-1.48，所述聚乙烯的折射率范围为1.52-1.56。
可选的，所述介质光栅单元结构由以下各项参数定义：所述金属层的厚度t1，所述衬底层的厚度t2，所述光栅层的厚度t3，所述光栅层的周期p，单一光栅的宽度w。
可选的，所述金属层的厚度t1的范围为1μm-2μm。
可选的，所述介质光栅单元结构包括：在所述衬底层和所述光栅层表面均匀涂覆1μm厚的α-乳糖形成共形层；
所述衬底层的厚度t2为120μm，所述光栅层的厚度t3为85μm，所述光栅层的周期p为400μm，所述单一光栅的宽度w为180μm。
可选的，所述介质光栅单元结构包括：在所述衬底层和所述光栅层表面均匀涂覆1μm厚的2,4-二硝基甲苯形成共形层；
所述衬底层的厚度t2为35.5μm，所述光栅层的厚度t3为25μm，所述光栅层的周期p为195μm，所述单一光栅的宽度w为61μm。
可选的，所述介质光栅单元结构包括：在所述衬底层和所述光栅层表面均匀涂覆1μm厚的三亚甲基三硝胺形成共形层；
所述衬底层的厚度t2为20μm，所述光栅层的厚度t3为116μm，所述光栅层的周期p为230μm，所述单一光栅的宽度w为60μm。
本发明实施例提供的基于角度多路复用的宽带太赫兹分子指纹痕量检测光栅，包括：金属层、衬底层、光栅层和共形层；其中，金属层和衬底层自下而上复合形成；光栅层呈周期性均匀分布在衬底层上；共形层在光源通过预设的动态角度扫描检测光栅时均匀涂覆在衬底层和光栅层表面。在进行痕量检测时，可极大消除固有的光吸收，不但可以增加光和物质间的相互作用，还可以有效提高对待测物质的感知性能，提高了检测的精准度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于角度多路复用的宽带太赫兹分子指纹痕量检测光栅的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的光源通过预设的动态角度扫描时检测光栅在共振波长处的电、磁场强度分布图；
图3a为本发明实施例提供的涂覆α-乳糖的检测光栅的结构参数n-k值曲线图；
图3b为本发明实施例提供的涂覆α-乳糖的检测光栅的角度扫描曲线、吸收峰包络曲线及无结构吸收曲线图；
图4a为本发明实施例提供的涂覆2,4-二硝基甲苯(2,4-DNT)的检测光栅的结构参数n-k值曲线图；
图4b为本发明实施例提供的涂覆2,4-二硝基甲苯(2,4-DNT)的检测光栅的角度扫描曲线、吸收峰包络曲线及无结构吸收曲线图；
图5a为本发明实施例提供的涂覆三亚甲基三硝胺(RDX)的检测光栅的结构参数n-k值曲线图；
图5b为本发明实施例提供的涂覆三亚甲基三硝胺(RDX)的检测光栅的角度扫描曲线、吸收峰包络曲线及无结构吸收曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供的基于角度多路复用的宽带太赫兹分子指纹痕量检测光栅，包括：金属层、衬底层、光栅层和共形层；其中，金属层和衬底层自下而上复合形成；光栅层呈周期性均匀分布在衬底层上；共形层在光源通过预设的动态角度扫描检测光栅时均匀涂覆在衬底层和光栅层表面。在进行痕量检测时，可极大消除固有的光吸收，不但可以增加光和物质间的相互作用，还可以有效提高对待测物质的感知性能，提高了检测的精准度。
实施例一
参见图1，一种基于角度多路复用的宽带太赫兹分子指纹痕量检测光栅，上述检测光栅包括：金属层1、衬底层2、光栅层3和共形层4；其中，金属层1和衬底层2自下而上复合形成；光栅层3呈周期性均匀分布在衬底层2上；共形层4在光源通过预设的动态角度扫描检测光栅时均匀涂覆在衬底层2和光栅层3表面。
作为本发明的一个实施例，金属层1、衬底层2和光栅层3组成介质光栅单元结构，金属层1的材质为铝(Al)，衬底层2的材质为聚甲基乙烯(TPX)，光栅层3的材质为聚乙烯(PE)。
在本发明实施例中，上述预设的动态角度的角度范围为5°-60°。
在本发明实施例中，在太赫兹波段范围内，聚甲基乙烯(TPX)的折射率范围为1.44-1.48，聚乙烯(PE)的折射率范围为1.52-1.56。
作为本发明的一个优选实施例，聚甲基乙烯(TPX)的折射率为1.46，聚乙烯(PE)的折射率为1.54。
在本发明实施例中，上述介质光栅单元结构由以下各项参数定义：金属层1的厚度t1，衬底层2的厚度t2，光栅层3的厚度t3，光栅层3的周期p，单一光栅的宽度w。
在本发明的一个实施例中，金属层1的厚度t1的范围为1μm-2μm。
作为本发明的一个优选实施例，金属层1的厚度t1为1.28μm。
参见图2，通过动态改变入射角(即光源通过预设的动态角度，如0°、23°、26°、29°的角度扫描检测光栅)，不仅可以改变共振波长位置，而且可以增强磁场和电场的强度，提高介质表面灵敏度。在特征频率0.53THz下，不同入射角下的电磁场分布不同。与其它非共振入射角的结果相比，共振状态时磁场得到了很强的增强，磁场主要分布在覆盖传感器表面的聚乙烯(PE)块中。由于聚乙烯(PE)块体与聚甲基乙烯(TPX)衬底的耦合引起的强磁共振，使激发电场明显增强。
实施例二
在本发明实施例中，上述介质光栅单元结构包括：在衬底层2和光栅层3表面均匀涂覆1μm厚的α-乳糖形成共形层4；衬底层2的厚度t2为120μm，光栅层3的厚度t3为85μm，光栅层3的周期p为400μm，单一光栅的宽度w为180μm。
图3a为本发明实施例提供的涂覆α-乳糖的检测光栅的结构参数n-k值曲线图，图3b为本发明实施例提供的涂覆α-乳糖的检测光栅的角度扫描曲线、吸收峰包络曲线及无结构吸收曲线图，通过图3a和图3b可以反映介质光栅结构本身性能，在太赫兹范围内存在明显的电阻部分和虚部，表明α-乳糖具有较强的电磁波吸收能力。
同时，根据预设的动态角度扫描检测光栅得到的α-乳糖的从5°到40°吸收光谱：虚线对应角度扫描的吸收谱，实线是由预设的动态角度扫描光谱中的最大值形成的包络曲线，α-乳糖直接覆盖在衬底层2上的吸收用点划线表示。α-乳糖分子在聚甲基乙烯(TPX)衬底上的吸收信号很宽，在共振频率下可以忽略不计。由于介质光栅结构的存在，大大增加了近场增强引起的光和物质相互作用，使传感器上α-乳糖的振动信号显著增强。通过图3b中的两组数据对比可知，在0.53Thz时，无结构的吸收峰为4.35％，有结构的吸收峰为55.31％。通过以上有结构与无结构时的吸收峰计算可以得出，有结构的传感器将信号放大了12.7倍，大大提高了传感器的性能。
实施例三
参见图4a、4b，在本发明实施例中，上述介质光栅单元结构包括：在衬底层2和光栅层3表面均匀涂覆1μm厚的2,4-二硝基甲苯(2,4-DNT)形成共形层4；衬底层的厚度t2为35.5μm，光栅层的厚度t3为25μm，光栅层的周期p为195μm，单一光栅的宽度w为61μm。
根据图4a和图4b可知，涂覆1μm厚的2,4-二硝基甲苯(2,4-DNT)的检测光栅的折射率的虚部在1.075THz处存在明显的吸收峰。根据预设的动态角度即10°到56°的角度扫描检测光栅可获得的一系列曲线所形成的包络线，可以看到，在1.075THz处具有明显的吸收峰。与非结构衬底的结果相比，40％的吸收峰比1.6％的非结构衬底的吸收峰放大了25倍，基于此结构的传感器也以用于检测爆炸物等有害物质。
实施例四
参见图5a、5b，在本发明实施例中，上述介质光栅单元结构包括：在衬底层2和光栅层3表面均匀涂覆1μm厚的三亚甲基三硝胺(RDX)形成共形层4；衬底层2的厚度t2为20μm，光栅层3的厚度t3为116μm，光栅层3的周期p为230μm，单一光栅的宽度w为60μm。
参见图5a可知，涂覆了1μm厚的三亚甲基三硝胺(RDX)的检测光栅在0.885THz处有一个明显的最大值吸收峰，它显示了介质光栅单元结构的唯一特征。参阅图5b可知，在0.885THz处的吸收率在介质光栅单元结构上显著提高到8％，比覆盖在无结构衬底上的吸收率值0.3％高了26倍。值得注意的是，由于存在信噪比，在实际太赫兹(THz)光谱中，点划线所指示的吸收率的值几乎难以分辨，但放大后的指纹谱信号可以显示本发明优越的检测能力。
本发明实施例提供的基于角度多路复用的宽带太赫兹分子指纹痕量检测光栅，包括：金属层、衬底层、光栅层和共形层；其中，金属层和衬底层自下而上复合形成；光栅层呈周期性均匀分布在衬底层上；共形层在光源通过预设的动态角度扫描检测光栅时均匀涂覆在衬底层和光栅层表面。在进行痕量检测时，可极大消除固有的光吸收，不但可以增加光和物质间的相互作用，还可以有效提高对待测物质的感知性能，提高了检测的精准度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于角度多路复用的宽带太赫兹分子指纹痕量检测光栅，其特征在于，所述检测光栅包括：金属层、衬底层、光栅层和共形层；其中，
所述金属层和所述衬底层自下而上复合形成；
所述光栅层呈周期性均匀分布在所述衬底层上；
所述共形层在光源通过预设的动态角度扫描所述检测光栅时均匀涂覆在所述衬底层和所述光栅层表面。
2.如权利要求1所述的检测光栅，其特征在于，所述金属层、衬底层和光栅层组成介质光栅单元结构，所述金属层的材质为铝，所述衬底层的材质为聚甲基乙烯，所述光栅层的材质为聚乙烯。
3.如权利要求1所述的检测光栅，其特征在于，所述预设的动态角度的角度范围为5°-60°。
4.如权利要求2所述的检测光栅，其特征在于，在太赫兹波段范围内，所述聚甲基乙烯的折射率范围为1.44-1.48，所述聚乙烯的折射率范围为1.52-1.56。
5.如权利要求2所述的检测光栅，其特征在于，所述介质光栅单元结构由以下各项参数定义：所述金属层的厚度t1，所述衬底层的厚度t2，所述光栅层的厚度t3，所述光栅层的周期p，单一光栅的宽度w。
6.如权利要求5所述的检测光栅，其特征在于，所述金属层的厚度t1的范围为1μm-2μm。
7.如权利要求5所述的检测光栅，其特征在于，所述介质光栅单元结构包括：在所述衬底层和所述光栅层表面均匀涂覆1μm厚的α-乳糖形成共形层；
所述衬底层的厚度t2为120μm，所述光栅层的厚度t3为85μm，所述光栅层的周期p为400μm，所述单一光栅的宽度w为180μm。
8.如权利要求5所述的检测光栅，其特征在于，所述介质光栅单元结构包括：在所述衬底层和所述光栅层表面均匀涂覆1μm厚的2,4-二硝基甲苯形成共形层；
所述衬底层的厚度t2为35.5μm，所述光栅层的厚度t3为25μm，所述光栅层的周期p为195μm，所述单一光栅的宽度w为61μm。
9.如权利要求5所述的检测光栅，其特征在于，所述介质光栅单元结构包括：在所述衬底层和所述光栅层表面均匀涂覆1μm厚的三亚甲基三硝胺形成共形层；
所述衬底层的厚度t2为20μm，所述光栅层的厚度t3为116μm，所述光栅层的周期p为230μm，所述单一光栅的宽度w为60μm。
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