CN112014913B - 一种太赫兹人工表面等离子激发装置及气体检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太赫兹人工表面等离子激发装置，包括梯度超表面、介质型衬底、介质层和周期性金属开槽结构，所述梯度超表面设置在所述介质型衬底上，所述介质层设置在周期性金属开槽结构和介质型衬底之间。利用太赫兹介质平面高阻硅梯度超表面激发周期性金属开槽结构上的人工表面等离子激发装置，利用一维平面高阻硅梯度超表面把垂直入射的太赫兹波在二氧化硅衬底里偏折一定角度，然后通过空气层激发周期性金属开槽结构上的人工表面等离子激元，具有设计简单、耦合效率高的优点，在太赫兹传感、波导、生物检测等多种应用中有巨大应用价值。同时本发明还公开了一种基于上述太赫兹人工表面等离子激发装置的气体检测装置。

Description

一种太赫兹人工表面等离子激发装置及气体检测装置
技术领域
本发明属于太赫兹波技术领域，涉及一种太赫兹人工表面等离子激发装置及气体检测装置。
背景技术
太赫兹(Terahertz or THz)波通常是指频率在0.1～10THz区间的电磁波，其波长介于微波与近红外之间，属于远红外电磁辐射范畴，其光子的能量约为1～10meV，正好与分子振动及转动能级之间跃迁的能量大致相当。大多数极性分子如水分子、氨分子等对THz辐射有强烈的吸收，许多有机大分子(DNA、蛋白质等)的振动能级和转动能级之间的跃迁也正好在THz波段范围。因此，物质的THz光谱(包括发射、反射和透射光谱)包含有丰富的物理性质和化学信息，其吸收和色散特性可以用来做爆炸物、药物等化学及生物样品的探测和识别，在物理学、化学、生物医学、天文学、材料科学和环境科学等方面具有重要的应用价值。
自然界中的表面等离子激元(Surface Plasmon Polariton,SPP)存在于远红外以上的频段，是由空间或介质内电磁场与金属表面区域的自由电子相互作用形成的沿介质-金属表面传播的电子疏密波，可以将电磁能量束缚在很小的亚波长范围内进行传播，在传感和波导等很多方面有巨大应用价值。研究者希望将SPP的优异性能应用到微波、毫米波频段，但由于金属的等离子体频率处于红外和光波段，在微波和毫米波频段，整体金属的行为接近理想导体，不存在表面等离激元模式。近年来学者发现金属表面上通过设计人工周期介质孔阵列结构或开槽结构有效降低了人工金属表面的等离子体频率，从而构建出微波和毫米波频段的人工表面等离激元(SSPs)，其色散曲线和物理特征与光波段表面等离激元的极其相似。相比于自然存在的表面等离激元，SSPs具有两个显著的优点：第一，等离子体频率远低于金属本身的等离子体频率，具有较小的损耗；第二，可以通过改变金属表面的结构参数来灵活控制SSPs的色散特性，进而获得可调控、可重构、智能化的电路、器件或天线，在微波、毫米波和太赫兹波段有巨大的应用价值。
然而由于存在波矢失配，自由空间平面波直接耦合SPPs或SSPs结构激发等离子激元非常困难。通常采用棱镜耦合、金属光栅以及金属尖端耦合等激发方式，但存在耦合结构庞大或效率较低的问题。超表面是利用一维或二维亚波长介质结构的谐振响应或亚波长金属结构的等离子体响应控制电磁波的幅度、相位和偏振。目前有人利用金属梯度超表面结构实现空间波和SSPs波的波矢匹配。然而反射式金属超表面SSPs激发装置的耦合效率较低，透射式金属超表面SSPs激发装置对于线偏光存在多层结构设计困难和金属损耗大的困难。
发明内容
本发明目的是提供一种利用太赫兹介质平面高阻硅梯度超表面激发周期性金属开槽结构上的人工表面等离子激发装置，利用一维平面高阻硅梯度超表面把垂直入射的太赫兹波在二氧化硅衬底里偏折一定角度，产生的横向波矢通过空气层激发周期性金属开槽结构上的人工表面等离子激元，具有设计简单、耦合效率高的优点，在太赫兹成像、传感、波导、生物检测等多种应用中有巨大应用价值。从而克服现有自由空间电磁波利用棱镜耦合激发人工表面等离子激元方法的不足。
根据本发明的目的提出的一种太赫兹人工表面等离子激发装置，包括梯度超表面、介质型衬底、介质层和周期性金属开槽结构，所述梯度超表面设置在所述介质型衬底上，所述介质层设置在周期性金属开槽结构和介质型衬底之间，其中
所述梯度超表面被设计成具有能够让太赫兹波段产生共振响应的周期性元胞阵列。所述介质型衬底具有与所述梯度超表面不同的折射率，且尽量小于所述介质层的折射率，所述周期性金属开槽结构的周期支持的人工表面等离子体波矢小于或等于太赫兹波在介质型衬底中的横向波矢，
由准直入射的太赫兹波垂直入射所述梯度超表面，在介质型衬底上偏折一定角度，其横向波矢再经过介质层激发所述周期性金属开槽结构上的人工表面等离子激元。
优选的，所述梯度超表面的周期性元胞阵列的单个周期长度最多为入射波波长的一半。
优选的，所述梯度超表面的周期性元胞阵列的单元宽度具有梯度变化，所述梯度变化满足对入射到该梯度超表面的传播波和转化成的表面波动量之间的不匹配进行补偿。
优选的，所述梯度表面的材质为浮区法生长而成高阻硅。
优选的，所述介质型衬底为氧化硅衬底。
优选的，所述介质层为气体或透明液体中的一种。
根据本发明的目的还提出了一种气体检测装置，包括如上所述的太赫兹人工表面等离子激发装置和检测光路，其中所述太赫兹人工表面等离子激发装置中的介质层为待检测气体，所述太赫兹人工表面等离子激发装置的周期性金属开槽结构和介质型衬底之间设有封闭式腔体，所述待检测气体充入所述封闭式腔体中。
优选的，所述检测光路包括太赫兹信号源、第一透镜、第二透镜、第三透镜；反射镜；第四透镜和回波信号探测器，由所述太赫兹信号源发出的太赫兹波在透过所述第一透镜、第二透镜后，汇聚到太赫兹人工表面等离子激发装置的梯度超表面上，再经过介质型衬底后发生偏折、并到达存放待测气体的周期性金属开槽结构后，太赫兹波反射回所述梯度超表面，再透过所述第三透镜、经过反射镜、所述第四透镜到达所述回波信号探测器。
优选的，所述回波信号探测器测量获取待测气体的频率-反射系数曲线，计算谐振峰位置，并带入标准气体种类-谐振峰测量校正曲线得到待测气体的种类。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明将超表面及其衬底的结构结合到激发装置中，缩小了整体结构单元，从毫米级到纳米级的转变，提高了耦合效率。
2、本发明的硬件材料选择范围广。通过在金属表面设计周期性开槽结构，将等离子体的频率降低至太赫兹波段，以解决金属适配问题，由此可任意选择金属材料作为本发明的底层结构。
3、由于太赫兹本身光子能量低，不会产生电离效应，所以使用安全，不会对人体造成伤害；
4、高阻硅梯度超表面采用全介质材料构成，不存在欧姆损耗，其结果更为精确；
5、利用高阻硅梯度超表面代替传统棱镜实现对电磁波的偏折，电磁波垂直入射，具有不需要调整电磁波入射角度的优点；
附图说明
图1是本发明一种太赫兹人工表面等离子激发装置示意图；
图2给出了金属周期开槽上SSP模式的色散关系图。
图3为本发明的人工表面等离子激发装置在不同实施方式下的电场分布模拟图。
图4该本发明的装置激发人工表面等离子激元的耦合效率曲线。
图5是本发明利用太赫兹人工表面等离子激发装置制成的气体检测装置结构示意图。
图6不同气体的频率-反射系数曲线
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述，但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
本发明的思路是利用介质型超表面与人工金属表面周期性开槽结构相结合，来实现在太赫兹波段激发人工表面等离子激元。
请参见图1，图1是本发明一种太赫兹人工表面等离子激发装置示意图。如图1所示，该激发装置包括梯度超表面1、介质型衬底2、介质层3、周期性金属开槽结构4，其中梯度超表面1设置在介质型衬底2上，介质层3设置在周期性金属开槽结构4和介质型衬底2之间，由准直入射的THz波垂直入射梯度超表面1，在介质型衬底2偏折一定角度，其横向波矢再经过介质层3激发周期性金属开槽结构4上的人工表面等离子激元。
具体的，本发明中，梯度超表面1是具有能够使入射电磁波产生2π相位梯度的周期性元胞阵列，可以将传播波的垂直波矢转化成横向波矢。
另一方面，对于该梯度超表面1的材质选择，优选为在太赫兹频段具有较高透明度的介质材料，其中较优地选择为高阻的浮区(FZ)单晶硅，这种材料是一种用浮区法生长的高纯的高阻硅，高阻硅(HRFZ-Si)是除了人造钻石外，另一种适合极宽范围从1.2μm到1mm(1000μm)波的晶体材料，和人造钻石相比，高阻硅要便宜的多且更容易生长制造，是一种非常适用于太赫兹波段的介质材料。
介质型衬底2主要作用是支撑梯度超表面，同时入射太赫兹波垂直波矢在这里被介梯度超表面1转化成平行金属开槽结构的横向波矢，进入介质层3。在一种实施方式中，该介质性衬底2的材料为氧化硅。
介质层3为介质材料填充层，优选为空气，也可以是其它气体或透明液体，只要满足该介质层3的折射率小于上面的介质型衬底2即可，并且两者的差值越大越好。介质型衬底2里的入射波横向波矢转换成金属开槽阵列支持的伪表面等离子体波。
周期性金属开槽结构4的作用是在THz波段支持伪表面等离子体波。请参见图2，图2给出了金属周期开槽上SSP模式的色散曲线，其中线段1和线段2分别表示电磁波在空气和在衬底中的色散关系，曲线3和曲线4则分别表示金属开槽阵列SSPs在不同模式下的色散曲线。从图中我们可以看出通过控制金属开槽，能够很好的支持人工表面等离子体模式。由图分析可知，当kssp较小时，即在低频区域内，SSP的色散曲线非常接近空气中的色散曲线，但是随着kssp的增大，即频率的增加，SSP的色散曲线逐渐远离空气中的色散曲线，最后趋近一个固定值。其实际物理意义为当频率逐渐增大时,表面波的波矢逐渐大于周围介质中的波矢,并在一定频率即渐近频率处趋于平直，这个值被称为表面等离子频率。从以上分析中我们知道，只有在金属的表面等离子体频率附近的区域太赫兹波有较强的束缚能力。
将一阶模式与二阶模式相比，可以看出色散曲线逐渐向右移动,大大降低了人工金属表面等离子体频率。而且还可以发现:在同一频率下,SSP的波矢始终大于空气光波的波矢,因此SSP模式和自由空间传播波矢不匹配，所以SSP不能被空气中入射波直接激发,需要额外结构进行波矢匹配。
请参见图3，图3是本发明中介质型衬底在两种不同实施方式下计算机模拟的电场分布图。其中，图3a中采用介质型衬底2的厚度小于入射波长的实施方式，图3b中采用介质型衬底2的厚度大于入射波长的实施方式，介质层3为空气介质层，介质型衬底2选用二氧化硅衬底，比波长厚、比波长薄的两种情况下，在周期边界上，当1000μmum>衬底厚度>500μmum以及衬底厚度<100μmum两种情况时，人工表面等离子体同样可以被激发，说明衬底的厚度制作选择范围广(比波长的厚、薄两种情况可选择)且具有可行性。因此在高阻硅梯度超表面和基底介质层之间设置的衬底结构，不仅具有入射角度稳定性好、高品质因数的优点，还可以在厚、薄两种应用场景下都可以实现本发明的效果。
请参见图4，图4该本发明的装置激发人工表面等离子激元的耦合效率曲线。如图4中所示，本发明的人工表面等离子激元在谐振频率下出现耦合效率的峰值接近80％，说明本发明的等离子激元具有较高的耦合效率。
下面，再通过一个具体的实施方式，来说明本发明的人工表面等离子激元的具体应用。
本应用是利用金属开槽开槽所支持太赫兹伪表面等离子体谐振峰随开槽内气体折射率移动来测量气体种类。由于返波振荡器的太赫兹频谱分辨率可以达到5MHz，本传感器中谐振峰位置最近的两种气体频率差达到50MHz，该传感器可以实现对常见气体的种类检测。
请参见图5，图5是基于本发明的太赫兹波段人工表面等离子体激发装置形成的气体检测装置，如图5所示，该气体检测装置包括太赫兹人工表面等离子体激发装置10和检测光路20，其中太赫兹人工表面等离子激发装置中，在原介质层部分替换为待检测的气体30，并且该通过形成封闭式的腔体11，让待检测的气体30充入该腔体11。检测光路20包括太赫兹信号源21、第一透镜22、第二透镜23、第三透镜24；反射镜25；第四透镜26和回波信号探测器27。
其中，封闭式腔体11是通过在周期性金属开槽结构和介质型衬底之间设置挡板形成的，将待测气体30导入至该封闭式腔体30中，由太赫兹信号源21发出的THz波在透过第一透镜22、高阻硅片23、第二透镜23后，汇聚到太赫兹人工表面等离子激发装置的梯度超表面上，再经过介质型衬底后发生偏折、并到达存放待测气体的周期性金属开槽结构激发太赫兹伪表面等离子体后，THz波反射回梯度超表面，再透过第二透镜24，被高阻硅片23反射后，透过第三透镜25到达太赫兹信号探测器26。太赫兹信号探测器26通过检测反射信号，得到频率-反射系数关系曲线。然后根据反射谐振峰的位置，并带入标准气体种类-谐振峰测量校正曲线得到待测气体的精确种类。
请参见图6，图6中的检测气体分别为氢气、一氧化碳、甲烷、甲醚、溴蒸气、苯蒸气、氯气。可以看出，不同的气体在频率-反射系数曲线中具有不同的谐振峰，因此只要与标准气体的谐振峰位置表进行比对，就能获取待测气体的具体成分。
以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，然其并非用以限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种太赫兹人工表面等离子激发装置，其特征在于：包括梯度超表面、介质型衬底、介质层和周期性金属开槽结构，所述梯度超表面设置在所述介质型衬底上，所述介质层设置在周期性金属开槽结构和介质型衬底之间，其中
所述梯度超表面被设计成具有能够让太赫兹波段产生2π相移的周期性元胞阵列，所述介质型衬底具有与所述梯度超表面不同的折射率，且小于所述梯度超表面的折射率，所述周期性金属开槽结构支持的人工表面等离子体波矢小于或等于太赫兹波在介质型衬底中的横向波矢，
由准直入射的太赫兹波垂直入射所述梯度超表面，在介质型衬底上偏折一定角度，其横向波矢再经过介质层激发所述周期性金属开槽结构上的人工表面等离子激元。
2.如权利要求1所述的太赫兹人工表面等离子激发装置，其特征在于：所述梯度超表面的周期性元胞阵列的单个周期长度最多为入射波波长的一半。
3.如权利要求1所述的太赫兹人工表面等离子激发装置，其特征在于：所述梯度超表面周期性元胞阵列的单元宽度具有梯度变化，所述梯度变化满足对入射到该梯度超表面的传播波和转化成的表面波动量之间的不匹配进行补偿。
4.如权利要求1所述的太赫兹人工表面等离子激发装置，其特征在于：所述梯度超表面的材质为浮区法生长而成高阻硅。
5.如权利要求1所述的太赫兹人工表面等离子激发装置，其特征在于：所述介质型衬底为氧化硅衬底。
6.如权利要求1所述的太赫兹人工表面等离子激发装置，其特征在于：所述介质层为气体或透明液体中的一种。
7.一种气体检测装置，其特征在于：包括如权利要求1至6任意一项所述的太赫兹人工表面等离子激发装置和检测光路，其中所述太赫兹人工表面等离子激发装置中的介质层为待检测气体，所述太赫兹人工表面等离子激发装置的周期性金属开槽结构和介质型衬底之间设有封闭式腔体，所述待检测气体充入所述封闭式腔体中。
8.如权利要求7所述的气体检测装置，其特征在于：所述检测光路包括太赫兹信号源、第一透镜、第二透镜、第三透镜；反射镜；第四透镜和回波信号探测器，由所述太赫兹信号源发出的太赫兹波在透过所述第一透镜、第二透镜后，汇聚到太赫兹人工表面等离子激发装置的梯度超表面上，再经过介质型衬底后发生偏折、并到达存放待测气体的周期性金属开槽结构后，太赫兹波反射回所述梯度超表面，再透过所述第三透镜、经过反射镜、所述第四透镜到达所述回波信号探测器。
9.如权利要求8所述的气体检测装置，其特征在于：所述回波信号探测器测量获取待测气体的频率-反射系数曲线，计算谐振峰位置，并带入标准气体种类-谐振峰测量校正曲线得到待测气体的种类。
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