CN111795946A - 一种全介质bic结构的相位传感及荧光/拉曼增强芯片 - Google Patents

一种全介质bic结构的相位传感及荧光/拉曼增强芯片 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种全介质BIC结构的相位传感及荧光/拉曼增强芯片，分为3层，依次为透明介质基底、介质薄膜、周期性排列的超表面介质纳米结构阵列；通过调整超表面介质纳米结构阵列的结构参数，获得可调节的BIC模式的高Q值谐振峰；高Q值谐振峰处伴随着剧烈的相位突变，可应用于高灵敏的折射率相位传感；谐振峰处的局域电场得到的增强，可应用于增强荧光/拉曼的检测信号，增强对超低浓度分子的检测能力；谐振峰的波长可通过调节超表面介质纳米结构阵列的结构参数来改变，可应用于可见光至近红外范围的相位传感及荧光/拉曼增强。应用本发明可实现高灵敏的折射率相位传感及荧光/拉曼增强，对多模式生物检测、疾病诊断、药物研发等领域具有重要意义。

Description

一种全介质BIC结构的相位传感及荧光/拉曼增强芯片
技术领域
本发明属于光学传感领域，涉及一种全介质BIC结构的相位传感及荧光/拉曼增强芯片，可应用于生物检测及疾病诊断治疗等领域。
背景技术
超表面是指由周期或非周期排列的亚波长结构单元构成的具有超常电磁性能的一种新型人工光学材料。超表面技术的广泛应用是基于微纳加工技术的发展与进步，为人类操控光及电磁波提供了新的途径，现在已经成为超灵敏生物化学传感器、纳米光子学等领域的研究热点。在折射率传感器领域，通常需要传感器拥有较大的Q值，这也就意味着谐振峰的半高全宽非常小。而超表面具有自然界常规媒质所不具备的奇异电磁特性，可以通过合理设计实现高Q值的谐振峰，对折射率传感领域意义重大。通常获得小线宽谐振峰的手段为Fano共振超表面，但其调节线宽能力有限。
相较于SPR（表面等离子体共振）折射率传感器，SPR传感器的检测原理是基于金属-介质界面自由电子的集体振荡效应，共振激发下反射光的物理特性（相位、强度）受界面折射率影响。但是金属的材料损耗较大，因此SPR共振峰的线宽一般都比较大，不利于进行折射率传感。而超表面可由全介质材料结构构成，材料损耗较低，因此能够获得非常窄的线宽，并且参数调节方便，在折射率传感领域具备较大优势。
同时，超表面可以将入射光场局域在其周围近场区域，从而达到局域场增强。但是通常的超表面局域场的电场增强不大，并且一般而言，模斑较小且都集中分布结构边缘，并且增强程度难以调节，限制其应用及推广。
BIC是辐射态中的奇异值，尽管在背景中存在着可以耦合的辐射通道，其能量依然束缚在超表面结构内。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种全介质BIC结构的相位传感及荧光/拉曼增强芯片，可实现高灵敏的折射率相位传感及荧光/拉曼增强。
本发明公开了一种全介质BIC结构的相位传感及荧光/拉曼增强芯片，包括透明介质基底、介质薄膜以及周期性排列的超表面介质纳米结构阵列；芯片结构分为3层，最底层为透明介质基底，透明介质基底上为第二层的介质薄膜，第三层为周期性排列的超表面介质纳米结构阵列；通过调整超表面介质纳米结构阵列的结构参数，可以获得可调节的BIC模式的高Q值谐振峰；高Q值谐振峰处伴随着剧烈的相位突变，可应用于高灵敏的折射率相位传感；谐振峰处的局域电场得到极大的增强，可应用于增强荧光/拉曼的检测信号，增强其对超低浓度分子的检测能力；谐振峰的波长可通过调节超表面介质纳米结构阵列的结构参数来改变，可方便的应用于可见光至近红外范围的相位传感及荧光/拉曼增强。
更进一步具体实施中，透明介质基底包括石英玻璃、普通玻璃。
更进一步具体实施中，介质薄膜包括Si3N4、TiO2、ZnO、Si等高折射率低损耗的介质材料；介质薄膜的厚度为50-300nm。
更进一步具体实施中，超表面介质纳米结构阵列的材料包括Si3N4、TiO2、ZnO、Si等高折射率低损耗的介质材料。
更进一步具体实施中，周期性排列的超表面介质纳米结构阵列，每个周期单元形状为两个相同尺寸的长方形，其长为a，宽为b；每个周期单元的两个长方形的中心间距为d；每个周期单元的两个长方形的高度为h；每个周期单元的两个长方形的围绕各自中心的旋转角度分别为θ、-θ；周期单元的晶格常数分别为Px和Py。
更进一步具体实施中，周期性排列的超表面介质纳米结构阵列3，通过调节方形的围绕各自中心的旋转角度θ、-θ变小，面内对称性恢复，谐振峰更加趋向于BIC模式，谐振峰的Q值迅速增大。
更进一步具体实施中，高Q谐振峰处伴随着剧烈的相位突变，并且随着结构参数的调整，Q值进一步增大，相位突变更加剧烈；控制入射光波长不变，相位随外界环境折射率改变，可应用于高灵敏度的折射率相位传感。
更进一步具体实施中，高Q谐振峰处伴随着剧烈的相位突变，并且随着结构参数的调整，Q值进一步增大，相位突变更加剧烈；控制入射光波长不变，相位随外界环境折射率改变，可应用于高灵敏度的折射率相位传感；可通过测量透射光或者反射光进行高灵敏度的折射率相位传感。
更进一步具体实施中，高Q谐振峰处存在强烈的局域场增强，并且随着结构参数的调整，场增强进一步增大，可进一步增大荧光/拉曼的增强程度；芯片表面可以涂敷含有荧光标记的检测样品或者含有拉曼探针的检测样品。
更进一步具体实施中，介质薄膜的存在使得结构能够更好的将光场局域在结构表面，具备更高的表面灵敏度，从而更适用于生物分子的折射率相位传感及荧光/拉曼增强的应用。
本发明的有益效果：
本发明基于周期性纳米结构阵列以及BIC模式下高Q值谐振峰，同时伴随着剧烈的相位突变，可应用于超灵敏的折射率相位传感。周期性纳米结构阵列对光场极强的束缚能力，能够极大的增强局域电场，可同时应用于增强荧光/拉曼信号，增强对超低浓度分子的检测能力。基于本结构可实现高灵敏的折射率相位传感及荧光/拉曼增强，对多模式生物检测、疾病诊断、药物研发等领域具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明一种全介质BIC结构的相位传感及荧光/拉曼增强芯片的结构示意图。
图2为全介质BIC结构的相位传感及荧光/拉曼增强芯片的透射谱。
图3为全介质BIC结构的相位传感及荧光/拉曼增强芯片的透射谱线宽变化图。
图4为高Q值谐振峰反射光的剧烈相位突变图。
图5为谐振峰处的局域电场增强图。
附图标记说明：透明介质基底1、介质薄膜2、周期性排列的超表面介质纳米结构阵列3。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述。
如图1所示，一种全介质BIC结构的相位传感及荧光/拉曼增强芯片，芯片结构分为3层，从底到顶依次为透明介质基底1、介质薄膜2、周期性排列的超表面介质纳米结构阵列3；通过调整超表面介质纳米结构阵列3的结构参数，略微破坏面内对称性，获得可调节的BIC模式的高Q值quasi-BIC（准-连续束缚态）谐振峰；高Q值谐振峰处伴随着剧烈的相位突变，可应用于高灵敏的折射率相位传感；同时由于周期性纳米结构阵列以及BIC模式的对光极强的束缚能力，谐振峰处的局域电场得到的增强，可应用于增强荧光/拉曼的检测信号，增强对超低浓度分子的检测能力；谐振峰的波长可通过调节超表面介质纳米结构阵列3的结构参数来改变，可应用于可见光至近红外范围的相位传感及荧光/拉曼增强。
透明介质基底1包括石英玻璃、普通玻璃。
介质薄膜2为高折射率低损耗的介质材料，包括Si3N4、TiO2、ZnO、Si；介质薄膜2的厚度为50-300nm。
所述的超表面介质纳米结构阵列3的材料为高折射率低损耗的介质材料，包括Si3N4、TiO2、ZnO、Si。
所述的周期性排列的超表面介质纳米结构阵列3，每个周期单元形状为两个相同尺寸的长方形，长为a，宽为b；每个周期单元的两个长方形的中心间距为d；每个周期单元的两个长方形的高度为h；每个周期单元的两个长方形的围绕各自中心的旋转角度分别为θ、-θ；周期单元的晶格常数分别为Px和Py。
周期性排列的超表面介质纳米结构阵列3，通过调节方形的围绕各自中心的旋转角度θ、-θ变小，面内对称性恢复，谐振峰趋向于BIC模式，谐振峰的Q值迅速增大。
所述的高Q谐振峰处伴随着剧烈的相位突变，并且随着结构参数的调整，Q值进一步增大，相位突变更加剧烈；控制入射光波长不变，相位随外界环境折射率改变，可应用于高灵敏度的折射率相位传感。
高Q谐振峰处伴随着相位突变，并且随着结构参数的调整，Q值进一步增大，相位突变更加剧烈；控制入射光波长不变，相位随外界环境折射率改变，可应用于高灵敏度的折射率相位传感；可通过测量透射光或者反射光进行高灵敏度的折射率相位传感。
所述的高Q谐振峰处存在局域场增强，并且随着结构参数的调整，场增强进一步增大，可进一步提高荧光/拉曼的增强程度；芯片表面涂敷含有荧光标记的检测样品或者含有拉曼探针的检测样品。
所述的介质薄膜2的存在使得结构能够更好的将光场局域在结构表面，具备更高的表面灵敏度，从而更适用于生物分子的折射率相位传感及荧光/拉曼增强的应用。
实施例1
一种全介质BIC结构的相位传感及荧光/拉曼增强芯片，周期性排列的超表面介质纳米结构阵列3的参数可以选择为a=270nm，b=100nm，h=400nm，d=240nm，Px=470nm，Py=560nm，介质薄膜2厚度为180nm。图2为全介质BIC结构的相位传感及荧光/拉曼增强芯片的透射谱，存在多个高Q值谐振峰，且波长已经基本调到上转化荧光分子的激发和发射波段，也可根据不同的荧光分子或者拉曼探针分子进行调整，可以实现双荧光增强/拉曼增强。
实施例2
一种全介质BIC结构的相位传感及荧光/拉曼增强芯片，通过调节方形的围绕各自中心的旋转角度θ、-θ变小，面内对称性恢复，谐振峰更加趋向于BIC模式，谐振峰的Q值越来越大。图3为全介质BIC结构的相位传感及荧光/拉曼增强芯片的透射谱线宽变化图，可以看到当θ从30°变化到3°时，谐振峰的线宽越来越小，Q值越来越高。
实施例3
一种全介质BIC结构的相位传感及荧光/拉曼增强芯片，周期性排列的超表面介质纳米结构阵列3引起的高Q值的谐振峰处，发射光存在着剧烈的相位突变，并且可以通过调整结构参数，实现更剧烈的相位突变，因此可以用于进行折射率的相位传感。当外界环境折射率改变时，高Q值的谐振峰将发生波长漂移，从而在控制入射光波长不变的同时，引起反射光相位发生剧烈变化。因此可以用于超灵敏的折射率相位传感。图4为高Q值谐振峰处的反射光存在的剧烈的相位突变图。
实施例4
一种全介质BIC结构的相位传感及荧光/拉曼增强芯片，周期性排列的超表面介质纳米结构阵列可以对光场产生极强的束缚能力，实现一个极强的局域电场增强，这种超强的局域场能够作用在荧光物质上使得荧光效率大大提高，也可以作用在拉曼探针上，增强拉曼信号的检测。图5为谐振峰处的电场增强图，电场增强倍数分别可以达到180倍和200倍，并且电场模斑较大，增强效率较高，非常适用于进行双荧光增强/拉曼增强。并且局域电场增强主要分布在介质薄膜表面附近，具备较高的表面灵敏度。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全介质BIC结构的相位传感及荧光/拉曼增强芯片，其特征在于，芯片结构分为3层，从底到顶依次为透明介质基底、介质薄膜、周期性排列的超表面介质纳米结构阵列；通过调整超表面介质纳米结构阵列的结构参数，获得可调节的BIC模式的高Q值谐振峰；高Q值谐振峰处伴随着剧烈的相位突变，可应用于高灵敏的折射率相位传感；谐振峰处的局域电场得到的增强，可应用于增强荧光/拉曼的检测信号，增强对超低浓度分子的检测能力；谐振峰的波长可通过调节超表面介质纳米结构阵列的结构参数来改变，可应用于可见光至近红外范围的相位传感及荧光/拉曼增强。
2.根据权利要求1所述的全介质BIC结构的相位传感及荧光/拉曼增强芯片，其特征在于，透明介质基底包括石英玻璃、普通玻璃。
3.根据权利要求1所述的全介质BIC结构的相位传感及荧光/拉曼增强芯片，其特征在于，介质薄膜为高折射率低损耗的介质材料，包括Si3N4、TiO2、ZnO、Si；介质薄膜的厚度为50-300nm。
4.根据权利要求1所述的全介质BIC结构的相位传感及荧光/拉曼增强芯片，其特征在于，所述的超表面介质纳米结构阵列的材料为高折射率低损耗的介质材料，包括Si3N4、TiO2、ZnO、Si。
5.根据权利要求1所述的全介质BIC结构的相位传感及荧光/拉曼增强芯片，其特征在于，所述的周期性排列的超表面介质纳米结构阵列，每个周期单元形状为两个相同尺寸的长方形，长为a，宽为b；每个周期单元的两个长方形的中心间距为d；每个周期单元的两个长方形的高度为h；每个周期单元的两个长方形的围绕各自中心的旋转角度分别为θ、-θ；周期单元的晶格常数分别为Px和Py。
6.根据权利要求1所述的全介质BIC结构的相位传感及荧光/拉曼增强芯片，其特征在于，周期性排列的超表面介质纳米结构阵列，通过调节方形的围绕各自中心的旋转角度θ、-θ变小，面内对称性恢复，谐振峰趋向于BIC模式，谐振峰的Q值迅速增大。
7.根据权利要求1所述的全介质BIC结构的相位传感及荧光/拉曼增强芯片，其特征在于，所述的高Q谐振峰处伴随着剧烈的相位突变，并且随着结构参数的调整，Q值进一步增大，相位突变更加剧烈；控制入射光波长不变，相位随外界环境折射率改变，可应用于高灵敏度的折射率相位传感。
8.根据权利要求1所述的全介质BIC结构的相位传感及荧光/拉曼增强芯片，其特征在于，高Q谐振峰处伴随着相位突变，并且随着结构参数的调整，Q值进一步增大，相位突变更加剧烈；控制入射光波长不变，相位随外界环境折射率改变，可应用于高灵敏度的折射率相位传感；可通过测量透射光或者反射光进行高灵敏度的折射率相位传感。
9.根据权利要求1所述的全介质BIC结构的相位传感及荧光/拉曼增强芯片，其特征在于，所述的高Q谐振峰处存在局域场增强，并且随着结构参数的调整，场增强进一步增大，可进一步提高荧光/拉曼的增强程度；芯片表面涂敷含有荧光标记的检测样品或者含有拉曼探针的检测样品。
10.根据权利要求1所述的全介质BIC结构的相位传感及荧光/拉曼增强芯片，其特征在于，所述的介质薄膜使得结构能够更好的将光场局域在结构表面，具备更高的表面灵敏度。
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