CN111551521A - 基于太赫兹波段的超材料传感器及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于一种基于太赫兹波段的超材料传感器及其使用方法，属于类电磁诱导透明效应的传感器。本发明采用的技术方案是：包括介质层和介质层上依附的金属层，金属条和开口谐振环组成谐振单元，谐振单元沿着x、y方向周期性在介质层上排列；金属条与y轴平行，开口谐振环的开口正对着金属条，单元周期内金属条和开口谐振环各为一个。本发明的优点如下：通过金属条在太赫兹电磁波激励下的“亮模型”，而开口谐振环的“暗模型”相互发生耦合时，产生破坏性干涉，实现EIT‑link效应，在谐振点附近产生尖锐的透射峰，使传感器Q值增大数倍，提高了传感器灵敏度高。该器件既可以用于折射率传感器，又可以做成微量测量传感器。
Description
技术领域
本发明属于一种基于太赫兹波段的超材料传感器及其使用方法，属于类电磁诱导透明效应的传感器。
背景技术
太赫兹波即频率在0.1THz-10THz的电磁波，太赫兹波介于红外和微波波段之间，处于电子学向光子学的过渡区域。太赫兹波特殊的电磁波谱位置，使其具有多种独特的电磁特性：透视性，太赫兹辐射可以对多种不透明物体进行透射成像；安全性，太赫兹辐射光子能量低，不会对生物组织产生有害的电离反应；许多大分子的震动和转动能级、超导体的能隙、半导体在磁场中的朗道，太赫兹波在传感探测方面有较多的应用，因此如何制作性能良好的太赫兹器件和仪器成为目前研究的热点。
超材料一般是指由周期性的亚波长金属谐振单元和介电材料载体组合构成的人工复合材料的统称。与自然材料中天然媒质所不具备的特异电磁性能。诸如负折射、负介电常数、全透射以及介电环境敏感性，由于它的谐振频率感应于外界介电环境，因此可将超材料用于传感中。
电磁诱导透明是原子系统中的相干过程，使得原本不透明的介质在吸收区域中诱导出尖锐的透明窗口，同时伴随着慢光特性和选频特性。但是，EIT 的产生需要低温和强光泵浦等苛刻的条件，限制了 EIT 的应用。现在可以通过调节超材料谐振单元的尺寸和耦合距离，来获得产生EIT-link，为研究 EIT-link提供了一种新的途径。
目前用于提高太赫兹传感检测灵敏度的谐振结构有微带线谐振器、Bragg反射腔、光栅等平面波导结构，但其与太赫兹源和探测器的耦合比较困难，难以得到广泛应用。
发明内容
本发明提出了一种基于太赫兹波段的超材料传感器及其使用方法，实现测量灵敏度，减少能量损耗，克服现有技术部分缺陷。
为时间上市目的，本发明采用的技术方案是：
基于太赫兹波段的超材料传感器，包括介质层和介质层上依附的金属层，金属条和开口谐振环组成谐振单元，谐振单元沿着x、y方向周期性排列，整个单元周期为P x = 240 µm，P y =300 µm；金属条与y轴平行，开口谐振环的开口正对着金属条，单元周期内金属条和开口谐振环各为一个。
作为优选，开口谐振环为U型，U型底部角为直角。
作为优选，所述金属条长度L = 270μm，开口谐振环长度为长度a =110μm，宽度b =60μm，金属条和开口谐振环线宽w = 5μm，所述开口宽度为50μm。
作为优选，所述介质层材料为聚合物、石英晶体、高阻硅中的一种，厚度h为10.0-30.0μm ，金属层为金、银、铜中一种，厚度为0.2-1.0μm。
基于太赫兹波段的超材料传感器的使用方法，包括以下步骤，
步骤1），在本超材料传感器的金属层上覆盖待测物薄膜；
步骤2），太赫兹波以x轴为磁边界，y轴为电边界，z轴开放边界对本传感器进行电磁波激励；
步骤3），在太赫兹电磁波激励下，金属条表现为“亮模型”，开口谐振环表现为“暗模型”，当两谐振结构间距为40.0-50.0μm 时，亮暗模式相互发生耦合时，实现EIT-link效应，在谐振点附近产生尖锐的透射峰；
步骤4），透射峰发生明显偏移，通过超材料产生的透射峰的偏移量确定待测物薄膜的厚度或折射率，在太赫兹工作波段250GHz-300GHz频率范围内时计量待测物薄膜的折射率，在太赫兹工作波段120GHz-250GHz频率范围内时计量待测物薄膜的厚度。
本发明的优点及有益效果如下：通过金属条在太赫兹电磁波激励下的“亮模型”，而开口谐振环的“暗模型”相互发生耦合时，产生破坏性干涉，实现EIT-link效应，在谐振点附近产生尖锐的透射峰，使传感器Q值增大数倍，提高了传感器灵敏度高。该器件既可以用于折射率传感器，又可以做成微量测量传感器。
本产品体积小、谐振特性易于调节，通过测量待测物薄膜引起的超材料传感器谐振频率的移动进行传感测量的方法，相比利用谐振峰幅值变化进行检测的传统时域光谱测量法，灵敏度有很大提高。
附图说明
图1是本发明传感器平面结构示意图。
图2是金属条、开口谐振环、谐振单元的透射谱线。
图3谐振单元在谐振点的表面电流分布.
图4单独开口谐振环在谐振点的表面电流分布.；
图5为金属条在谐振点的表面电流分布.
图6基于EIT-link太赫兹折射率传感器透射谱线；
图7表示折射率与频率偏移量曲线图。
图8基于EIT-link太赫兹微量测量传感器透射谱线；
图9表示微量测量与频率偏移量曲线图。
具体实施方式
以下结合附图进一步详细说明本发明所描述的实施例,仅是本发明的一部分实施例。
图1是本发明一种太赫兹波段的超材料传感器平面结构图，超材料包括介质层和金属层，一根金属条和一个开口谐振环各一个组成谐振单元。谐振单元沿着x、y方向周期性在介质层上排列，整个单元周期为P x = 240 µm，P y =300 µm；金属条与y轴平行，开口谐振环的开口正对着金属条，单元周期内金属条和开口谐振环各为一个。开口谐振环为U型，U型底部角为直角。
金属条长度L = 270μm，开口谐振环长度为长度a =110μm，宽度b =60μm，金属条和开口谐振环线宽w = 5μm，所述开口宽度为50μm。介质层材料为聚合物、石英晶体、高阻硅中的一种，厚度h为10.0-30.0μm ，金属层为金、银、铜中一种，厚度为0.2-1.0μm。
本超材料传感器作为折射率传感器时，基底材料折射率大小对传感器性能有很大影响。我们对超材料介质层分别以聚合物的折射率为1.5、石英的折射率为2、高阻硅的折射率为4作基底时的传感性能进行了仿真对比，基底折射率越高，谐振器折射率灵敏度越低。这是因为基底折射率越高，器件总的电容效应中所占的比重越大，传感器表面涂覆待测物所引起谐振峰的频率移动越小，即传感器灵敏度越低。因此，介电常数较低的聚合物材料更适合作为高灵敏度折射率传感器基底。折射率传感器取聚酰亚胺为超材料介质层，微量测量传感器也取聚酰亚胺为超材料介质层，厚度h = 10μm。
因而介质层选择聚酰亚胺，其介电常数为3.0，损耗角正切为0.00027 S/m。金属层为金，厚度为0.2µm，在太赫兹波段其电导率σ= 4.56×107 s/m。
图2 为谐振单元EIT、金属条CW、开口谐振环SRR结构分别对应的透射谱线图，横坐标标注的Frequency表示频率，单位为THz；纵坐标标注的Transmission表示太赫兹波的透射率。
金属条在0.252 THz处产生向下的谐振，Q值为5.02，作为“明模式”。开口环在0.273 THz处产生向下的谐振， Q 值为45，作为“暗模式”。可以看出金属条和开口环产生的谐振点相近，且Q值相差较大，满足在“明模式”和“暗模式”谐振单元构成的超材料实现明显EIT-link的条件，谐振单元产生强烈的耦合作用，在宽的不透明区域产生一个尖锐的透明峰，透明峰对应的频率点为0.258 THz， Q值达到172。
下面对单独金属条、单独开口谐振环和谐振单元的表面电流分布结合附图进行说明。
图3为单独金属条CW，金属条电流方向相同，符合偶极子谐振的电流分布特征，与外场发生强耦合，发生电谐振；标尺数值在0～3303A/m之间，数值较小，输出能量较小，所以Q值小，这种谐振模式称为“亮模式”。
图4单独开口谐振环SRR，开口环内产生微弱的环形电流分布，形成磁谐振，没有形成明显的直流电偶极矩，只能与外场产生极弱耦合；标尺数值在0～8333A/m之间，数值大，输出能量也大，所以Q值较大，形成“暗模式”。
图5为谐振单元EIT组合结构在谐振点的表面电流分布，感生出环形电流产生，不直接和外场耦合，而是与金属条产生的偶极子发生耦合，能量由金属条传给开口环，从而实现EIT-link效应。EIT-link组合结构标尺最大值是CW结构和SRR结构的标尺最大值差相近。和单独CW、单独SRR激励时相比，半峰全宽（FWHM:指透射峰高一半处峰宽度）更尖锐，器件Q值提高到172。
本超材料传感器的有两种使用目的，一种是作为折射率传感器，在太赫兹工作波段250GHz-300GHz频率范围内工作。
图6为EIT结构单元上涂覆物厚度为5µm，折射率为0.5～2.0，得到的透射峰谱。随着折射率的增大，EIT-link透射峰发生明显的红移，可以实现折射率传感功能。EIT-link折射率传感器件的灵敏度S和品质因数(FOM)为传感器性能的重要指标。折射率灵敏度为单位折射率的共振频率变化量，其值为S = ∆f/∆n，单位为GHz/RIU，其中∆f为共振频率的变化量。
为进一步确定待测物折射率n和共振频率f的关系，做出它们之间关系曲线图，如图7所示。计算得该传感器灵敏度为166GHz/RIU既1807μm/RIU。FOM为单位折射率变化引起的透明峰波长平移量与透明峰3dB带宽的比值。计算得该器件的FOM为19。在太赫兹工作波段250GHz-300GHz频率范围内作为折射率传感器。
作为折射率传感器时的使用方法，包括以下步骤，
步骤1），在本超材料传感器的金属层上覆盖一层不同折射率待测物薄膜；
步骤2），250GHz-300GHz频率范围的太赫兹波以x轴为磁边界，y轴为电边界，z轴开放边界对本传感器上待测物薄膜进行电磁波激励；
步骤3），在太赫兹电磁波激励下，金属条表现为“亮模型”，开口谐振环表现为“暗模型”，当两谐振结构间距为40.0-50.0μm 时，亮暗模式相互发生耦合时，实现EIT-link效应，在谐振点附近产生尖锐的透射峰，
步骤4），透射峰发生明显偏移，通过超材料产生的透射峰的偏移量确定不折射率。
另一种作为微量测量传感器，在太赫兹工作波段120GHz-250GHz频率范围内工作。
如图图8基于EIT-link微量测量传感器透射谱线。图9表示微量测量与频率偏移量曲线图。保持覆盖材料的介电常数不变，仅改变覆盖材料的厚度，本实验选取硅为覆盖材料，硅的介电常数为11.9，取硅的厚度为10µm、20µm、30µm、50µm为变量。如图8得到覆盖物硅随微量变化情况下的透射谱。可以看出随着覆盖物硅厚度增加，透射峰发生明显的红移，透明峰共振频率减小。这一现象可以从物理机制解释，随着覆盖物硅厚度增加，超材料传感器的耦合共振电容增大，(其中f、L和C分别代表共振频率、电感和电容)，因此耦合电容的增大，会导致共振频率的减小，所以产生红移现象。
作为厚度传感器时的使用方法，包括以下步骤，
步骤1），在本超材料传感器的金属层上覆盖一层微量待测物薄膜；
步骤2），120GHz-250GHz频率范围的太赫兹波以x轴为磁边界，y轴为电边界，z轴开放边界对本传感器上待测物薄膜进行电磁波激励；
步骤3），在太赫兹电磁波激励下，金属条表现为“亮模型”，开口谐振环表现为“暗模型”，当两谐振结构间距为40.0-50.0μm 时，亮暗模式相互发生耦合时，实现EIT-link效应，在谐振点附近产生尖锐的透射峰，
步骤4），透射峰发生明显偏移，通过超材料产生的透射峰的偏移量确定待测物薄膜厚度。
Claims (5)
1.一种基于太赫兹波段的超材料传感器,其特征在于：包括介质层和介质层上依附的金属层，金属条和开口谐振环组成谐振单元，谐振单元沿着x、y方向周期性在介质层上排列，整个单元周期为P x = 240 µm，P y =300 µm；金属条与y轴平行，开口谐振环的开口正对着金属条，单元周期内金属条和开口谐振环各为一个。
2.根据权利要求1 所述的一种太赫兹波段的超材料传感器，其特征在于，开口谐振环为U型，U型底部角为直角。
3.根据权利要求2 所述的一种太赫兹波段的超材料传感器，其特征在于，所述金属条长度L = 270μm，开口谐振环长度为长度a =110μm，宽度b =60μm，金属条和开口谐振环线宽w = 5μm，所述开口宽度为50μm。
4.根据权利要求1所述的一种太赫兹波段的超材料传感器，其特征在于：所述介质层材料为聚合物、石英晶体、高阻硅中的一种，厚度h为10.0-30.0μm ，金属层为金、银、铜中一种，厚度为0.2-1.0μm。
5.一种权利要求1所述的基于太赫兹波段的超材料传感器的使用方法，其特征是，包括以下步骤，
步骤1），在本超材料传感器的金属层上覆盖待测物；
步骤2），太赫兹波以x轴为磁边界，y轴为电边界，z轴开放边界对本传感器进行电磁波激励；
步骤3），在太赫兹电磁波激励下，金属条表现为“亮模型”，开口谐振环表现为“暗模型”，当两谐振结构间距为40.0-50.0μm 时，亮暗模式相互发生耦合时，实现EIT-link效应，在谐振点附近产生尖锐的透射峰，
步骤4），透射峰发生明显偏移，通过超材料产生的透射峰的偏移量确定待测物的厚度或折射率，在太赫兹工作波段250GHz-300GHz频率范围内时计量待测物的折射率，在太赫兹工作波段120GHz-250GHz频率范围内时计量待测物的厚度。
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