CN111337445B - 一种基于角度扫描增强红外光谱吸收的介质超表面 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超材料领域，提供了一种基于角度扫描增强红外光谱吸收的介质超表面，所述介质超表面包括：下层金属层、中间层衬底层、上层介质光栅以及上层共形化合物；所述下层金属层和所述中间层衬底层为自下而上复合形成；所述上层介质光栅呈周期性均匀分布在所述中间层衬底层上；所述上层共形化合物在通过预设角度的光源扫描时均匀涂覆在所述中间层衬底层和所述上层介质光栅表面。本发明实施例提供的基于角度扫描增强红外光谱吸收的介质超表面，在利用此介质表面进行痕量检测时，不但可以增加光和物质间的相互作用，还可以有效提高对物质的感知性能，提高了检测的精准度。
Description
技术领域
本发明属于超材料领域，尤其涉及一种基于角度扫描增强红外光谱吸收的介质超表面。
背景技术
在现实生活中，一些化合物从形态到结构上高度相似，肉眼难以区分，例如六方氮化硼(h-BN)、立方氮化硼(c-BN)，但是它们的作用和价值却相差甚远，因此，精准区分形态形似的化合物很有必要。同时还有一些无色透明的液体，诸如全氟聚醚，仅凭外观特征很难准确判断其成分，而进行成分分析又十分繁琐，因此，亟需一种简单方便的手段来进行分子检测。中红外光谱的光谱范围是2.5μm-25μm，由于分子的结构振动模式在中红外的光谱范围内具有不同的吸收指纹谱，因此中红外光谱可作为一种检测和识别各种分子类型的强大工具。
近来对红外指纹检测的研究表明，根据朗伯比尔定律可以获得光的吸收特征，但在块状样品的检测过程中，振动信号会随着样品厚度的增加呈指数下降。尤其是在检测痕量物质时，由于样品厚度通常比中红外波长更小，在这种情况下光和物质间的相互作用非常微弱并且感知性能极低，不利于准确识别。
发明内容
本发明实施例提供一种基于角度扫描增强红外光谱吸收的介质超表面，旨在解决现有的红外指纹检技术在测量痕物质时，由于样品厚度通常比中红外波长更小，光和物质间的相互作用非常微弱并且感知性能极低，不利于准确识别的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种基于角度扫描增强红外光谱吸收的介质超表面，所述介质超表面包括：
下层金属层、中间层衬底层、上层介质光栅以及上层共形化合物；
所述下层金属层和所述中间层衬底层自下而上复合形成；
所述上层介质光栅呈周期性均匀分布在所述中间层衬底层上；
所述上层共形化合物在通过预设角度的光源扫描时均匀涂覆在所述中间层衬底层和所述上层介质光栅表面。
可选的，所述预设角度的角度范围为10°-65°。
可选的，所述下层金属层、所述中间层衬底层、所述上层介质光栅构成超表面单元结构；其中，所述下层金属层为金(Au)，所述中间层衬底层为氟化钙(CaF2)，所述上层介质光栅为硫化锌(ZnS)。
可选的，在中红外光波段范围内，所述氟化钙(CaF2)的折射率范围为1.3-1.4，所述硫化锌(ZnS)的折射率范围为2.12-2.35。
可选的，所述超表面单元结构由以下参数定义：所述下层金属层的厚度t1，所述中间层衬底层的厚度t2，所述上层介质光栅的厚度t3，所述上层介质光栅的周期p，所述上层介质光栅的宽度w。
可选的，所述下层金属层的厚度t1的范围为1μm-2μm。
可选的，当所述上层共形化合物为六方氮化硼时，所述中间层衬底层的厚度t2为1.78μm，所述上层介质光栅的厚度t3为1μm，所述上层介质光栅的周期p为4.9μm，所述上层介质光栅的宽度w为2.16μm。
可选的，当所述上层共形化合物为立方氮化硼时，所述中间层衬底层的厚度t2为2μm，所述上层介质光栅的厚度t3为1μm，所述上层介质光栅的周期p为6.5μm，所述上层介质光栅的宽度w为2.16μm。
可选的，当所述上层共形化合物为全氟聚醚时，所述中间层衬底层的厚度t2为1.78μm，所述上层介质光栅的厚度t3为1μm，所述上层介质光栅的周期p为4.78μm，所述上层介质光栅的宽度w为2.16μm。
本发明实施例提供的基于角度扫描增强红外光谱吸收的介质超表面，该介质超表面包括：下层金属层、中间层衬底层、上层介质光栅以及上层共形化合物；所述下层金属层和所述中间层衬底层自下而上复合形成；所述上层介质光栅呈周期性均匀分布在所述中间层衬底层上；所述上层共形化合物在通过预设角度的光源扫描时均匀涂覆在所述中间层衬底层和所述上层介质光栅表面。在利用此介质表面进行痕量检测时，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扫描增强红外光谱吸收的介质超表面的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的多角度扫描涂覆六方氮化硼的介质超表面结构在共振波长7.29μm处的电磁场强度分布图；
图3a为本发明实施例提供的为涂覆六方氮化硼的介质超表面的结构参数n-k值曲线图；
图3b为本发明实施例提供的涂覆六方氮化硼的介质超表面的角度扫描和包络的反射率曲线图；
图4为本发明实施例提供的覆六方氮化硼的介质超表面以及涂覆六方氮化硼的无结构表面的红外指纹对比图；
图5a为本发明实施例提供的涂覆立方氮化硼的介质超表面的结构参数n-k值曲线图；
图5b为本发明实施例提供的涂覆立方氮化硼的介质超表面的角度扫描和包络的反射率曲线图；
图6为本发明实施例提供的涂覆立方氮化硼的介质超表面以及涂覆立方氮化硼的无结构表面的红外指纹对比图；
图7a为本发明实施例提供的涂覆全氟聚醚的介质超表面的结构参数n-k值曲线图；
图7b为本发明实施例提供的涂覆全氟聚醚的介质超表面的角度扫描及包络的反射率曲线图；
图8为本发明实施例提供的涂覆全氟聚醚的介质超表面以及涂覆全氟聚醚的无结构表面的红外指纹对比图。
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扫描增强红外光谱吸收的介质超表面，该介质超表面包括：下层金属层、中间层衬底层、上层介质光栅以及上层共形化合物；所述下层金属层和所述中间层衬底层自下而上复合形成；所述上层介质光栅呈周期性均匀分布在所述中间层衬底层上；所述上层共形化合物在通过预设角度的光源扫描时均匀涂覆在所述中间层衬底层和所述上层介质光栅表面。在利用此介质表面进行痕量检测时，不但可以增加光和物质间的相互作用，还可以有效提高对物质的感知性能，提高了检测的精准度。
实施例一
参见图1，该基于角度扫描增强红外光谱吸收的介质超表面，包括：下层金属层1、中间层衬底层2、上层介质光栅3以及上层共形化合物4；下层金属层1和中间层衬底层2自下而上复合形成；上层介质光栅3呈周期性均匀分布在中间层衬底层2上；上层共形化合物4在通过预设角度的光源扫描时均匀涂覆在中间层衬底层2和上层介质光栅3表面。
在本发明实施例中，上述预设角度的角度范围为10°-65°。
作为本发明的一个实施例，下层金属层1、中间层衬底层2、上层介质光栅3构成超表面单元结构；其中，下层金属层1为金(Au)，中间层衬底层2为氟化钙(CaF2)，上层介质光栅3为硫化锌(ZnS)。
在本发明实施例中，在中红外光波段范围内，上述氟化钙(CaF2)的折射率范围为1.3-1.4，上述硫化锌(ZnS)的折射率范围为2.12-2.35。
作为本发明的一个优选实施例，氟化钙(CaF2)的折射率为1.45，硫化锌(ZnS)的折射率为2.2。
在本发明实施例中，上述超表面单元结构由以下参数定义：下层金属层1的厚度t1，中间层衬底层2的厚度t2，上层介质光栅3的厚度t3，上层介质光栅3的周期p，上层介质光栅3的宽度w。
作为本发明的一个实施例，上述下层金属层1的厚度t1的范围为1μm-2μm。
作为本发明的一个优选实施例，上述下层金属层1的厚度t1为1.28μm。
在本发明实施例中，当光源以不同的角度入射扫描介质超表面时，会改变介质超表面的共振波长，形成不同的吸收光谱。例如，当垂直入射时，没有达到共振状态，光和物质的相互作用较弱，吸收率很低；随着角度逐渐变化，电磁场强度也随之变化。参见图2，当入射波长为7.29μm，相比于其他入射角度，入射角度为18°时介质超表面的纳米结构中出现了显著的表面增强效果，电场和磁场在共振波长处呈现最大值。磁场主要被限制在介质硫化锌(ZnS)中，覆盖了空气和介质超表面纳米结构的边界。由于高折射率的硫化锌(ZnS)和低折射率的氟化钙(CaF2)之间耦合产生的强磁共振，激发了电场的强度增强，从而使得材料对光的吸收增加。
可以理解，上述磁共振模式的机理主要集中在空气与介质超表面结构的交界处，因此将样品放在纳米结构的表面可以有效地增强入射光的吸收，可用于完美的指纹检测设备，而该结构也避免了表面等离激元共振技术中，贵金属存在固有的高阻尼损耗和不可调谐性缺陷，不但可以增加光和物质间的相互作用，还可以有效提高对物质的感知性能，提高了检测的精准度。
实施例二
在本发明实施例中，当上层共形化合物4为六方氮化硼(h-BN)时，中间层衬底层2的厚度t2为1.78μm，上层介质光栅3的厚度t3为1μm，上层介质光栅3的周期p为4.9μm，上层介质光栅3的宽度w为2.16μm。
图3a为涂覆六方氮化硼(h-BN)的介质超表面的结构参数n-k值曲线图，图3b为本发明实施例提供的涂覆六方氮化硼(h-BN)的介质超表面的角度扫描和包络的反射率曲线图。通过图3a和图3b可以反映介质超表面结构本身性能，从10°到65°的角度范围对涂覆了六方氮化硼(h-BN)的介质超表面结构进行扫描，根据角度扫描的一系列反射率曲线中，选取光谱反射率最小值形成包络曲线，这些包络曲线的值用于得到指纹谱。吸收率指纹谱与超表面的结构参数k值曲线具有一致性。由于独特的强近场耦合，包络线在共振波长7.29μm处，反射率为96.8％。
参阅图4可知，由于近场增强效应增加了光与物质的相互作用，分子振动的吸收峰比无结构时具有极强的增强，这直接导致了超表面结构在共振波长处将吸收指纹谱放大了28倍。
实施例三
在本发明实施例中，当上层共形化合物4为立方氮化硼(c-BN)时，中间层衬底层2的厚度t2为2μm，上层介质光栅3的厚度t3为1μm，上层介质光栅3的周期p为6.5μm，上层介质光栅3的宽度w为2.16μm。
参阅图5a、5b得，从10°到65°的角度范围对涂覆了立方氮化硼(c-BN)的介质超表面结构进行扫描，根据角度扫描的一系列反射率曲线中，选取光谱反射率最小值形成包络曲线，用于计算分子指纹。
在本发明实施例中，上述计算分子指纹的方式为通过模拟仿真实验对分子指纹进行计算，其具体计算方式对本发明功能实现无影响，故在此不进行赘述。
参见图6可知，在共振波长为9.37μm时的相对吸收率峰为77.13％，将无结构时的信号增强了5.38倍。由于介质超表面结构在相似物质的痕量检测中存在明显增强信号，可以通过比较h-BN和c-BN的光谱加以区分。
实施例四
在本发明实施例中，当上层共形化合物4为全氟聚醚时，中间层衬底层2的厚度t2为1.78μm，上层介质光栅3的厚度t3为1μm，上层介质光栅3的周期p为4.78μm，上层介质光栅3的宽度w为2.16μm。
参阅图7a、7b可知，根据从10°和65°之间的不同角度对涂覆了全氟聚醚的介质超表面结构扫描获得的包络线，可以很容易地识别出在波长为8.3μm和9.13μm处的两个明显的反射波谷。
参见图8，通过模拟仿真计算得到吸收指纹谱，可以发现波长为8.73μm处的吸收谱在无结构的基板上非常微弱，而在介质超表面结构上波峰则十分明显，易于鉴别。
与现有技术相比，本发明提供了一种基于角度扫描增强红外光谱吸收的介质超表面，具备以下有益效果：增强了物质间相互作用和表面感知能力；弥补了贵金属存在固有的高阻尼损耗和不可调谐性缺陷；简化了石墨烯材料需要电压或温度控制的苛刻条件，不但可以增加光和物质间的相互作用，还可以有效提高对物质的感知性能，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 (7)
1.一种基于角度扫描增强红外光谱吸收的介质超表面，其特征在于，所述介质超表面包括：
下层金属层、中间层衬底层、上层介质光栅以及上层共形化合物；
所述下层金属层和所述中间层衬底层为自下而上复合形成；
所述上层介质光栅呈周期性均匀分布在所述中间层衬底层上；
所述上层共形化合物在通过预设角度的光源扫描时均匀涂覆在所述中间层衬底层和所述上层介质光栅表面；所述预设角度的角度范围为10°-65°；
所述超表面单元结构由以下参数定义：所述下层金属层的厚度t1，所述中间层衬底层的厚度t2，所述上层介质光栅的厚度t3，所述上层介质光栅的周期p，所述上层介质光栅的宽度w。
2.如权利要求1所述的介质超表面，其特征在于，所述下层金属层、所述中间层衬底层、所述上层介质光栅构成超表面单元结构；其中，
所述下层金属层为金(Au)，所述中间层衬底层为氟化钙(CaF2)，所述上层介质光栅为硫化锌(ZnS)。
3.如权利要求2所述的介质超表面，其特征在于，在中红外光波段范围内，所述氟化钙(CaF2)的折射率范围为1.3-1.4，所述硫化锌(ZnS)的折射率范围为2.12-2.35。
4.如权利要求1所述的介质超表面，其特征在于，所述下层金属层的厚度t1的范围为1μm-2μm。
5.如权利要求1所述的介质超表面，其特征在于，所述上层共形化合物为六方氮化硼，所述中间层衬底层的厚度t2为1.78μm，所述上层介质光栅的厚度t3为1μm，所述上层介质光栅的周期p为4.9μm，所述上层介质光栅的宽度w为2.16μm。
6.如权利要求1所述的介质超表面，其特征在于，所述上层共形化合物为立方氮化硼，所述中间层衬底层的厚度t2为2μm，所述上层介质光栅的厚度t3为1μm，所述上层介质光栅的周期p为6.5μm，所述上层介质光栅的宽度w为2.16μm。
7.如权利要求1所述的介质超表面，其特征在于，所述上层共形化合物为全氟聚醚，所述中间层衬底层的厚度t2为1.78μm，所述上层介质光栅的厚度t3为1μm，所述上层介质光栅的周期p为4.78μm，所述上层介质光栅的宽度w为2.16μm。
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