CN112113916A - 一种基于全电介质超表面的双通道折射率传感器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于全电介质超表面的双通道折射率传感器及方法，涉及折射率传感技术领域，传感器包括：半导体激光器、全电介质超表面结构、待测介质和至少两个光电探测器传感探头，所述半导体激光器位于全电介质超表面结构的正上方，还包括四分之一波片，设置于所述半导体激光器后侧。本发明采用电介质材料硅纳米天线构成超表面，避免了传统金属等离子体超表面极高的欧姆损耗，从而提高了折射率传感的品质因数和传感性能；通过测量双通道衍射光强来表征介质折射率的微小变化，不需要价格高昂且复杂的光谱测量设备，大大降低了传感器的成本；且构建的双通道测量方法能显著降低系统外部噪声，提高光学传感器的信噪比和抗干扰能力。

Description

一种基于全电介质超表面的双通道折射率传感器及方法

技术领域

本发明涉及折射率传感技术领域，尤其是涉及一种基于全电介质超表面的双通道折射率传感器及方法。

背景技术

近年来，随着纳米技术和制造工艺的进步和发展，人工电磁超表面已经成为纳米光子学领域的重要研究热点。超表面是一种特征尺寸小于工作波长的二维阵列结构，通过对纳米天线的裁剪以及按照一定角度周期性排列构成二维亚波长阵列，实现对电磁波的精确操控。作为构成超表面单元的纳米天线，可以表征为频谱重叠的电偶极子和磁偶极子，其共振特性受纳米天线的结构参数和周围环境的折射率变化影响，利用这样的共振光谱在各种目标参数传感中得到广泛的应用。

目前，主要的传感技术研究是通过改善质量因子(Q)来提高谐振腔中的光子寿命，进一步增强纳米天性与周围环境之间的场相互作用，从而提高共振传感的性能。电介质材料(非晶硅或二氧化硅)具有极低的吸收损耗以及相邻纳米天性的强相互作用，因此可以用于构建电介质超表面来实现高效的波前处理和高Q因子共振，利用这种方法可以显著提高共振传感的灵敏度和品质因数。然而，测量共振光谱的共振峰通常需要使用一些昂贵的仪器，例如具有高分辨率和超连续谱光源的光谱仪。受限于高昂的成本和低集成度，这种通过测量共振峰位置来表征的周围介质折射率的方案变得没有竞争力。

发明内容

有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种基于全电介质超表面的双通道折射率传感器及方法，利用全电介质超表面强大的自旋轨道耦合能力和精确的相位操控，实现偏振转换效率可调的双通道折射率传感及方法。

为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：

一方面，本发明提供一种基于全电介质超表面的双通道折射率传感器，包括：半导体激光器、全电介质超表面结构、待测介质和至少两个光电探测器传感探头，所述半导体激光器位于全电介质超表面结构的正上方。

进一步地，所述半导体激光器产生通信波长为1550nm的线偏振光。

进一步地，所述传感器还包括四分之一波片，设置于所述半导体激光器后侧，旋转波片使得线偏振光的偏振方向与波片的光轴成45度角，从而获得左旋圆偏振光或右旋圆偏振光。

进一步地，所述全电介质超表面结构自下而上依次设置为二氧化硅衬底、矩形硅纳米天线，矩形硅纳米天线按照一定的旋转角周期性排列，在x轴方向形成了梯度光栅，这种类似于梯度光栅的全电介质超表面在动量空间中产生光子自旋霍尔效应，从而获得在不同衍射级的不同自旋分量，即获得两个通道的不同衍射光。

具体地，若入射光为左旋圆偏振光，则所述不同衍射级为0级和1级；若入射光为右旋圆偏振光，则所述不同衍射级为0级和-1级。

具体地，所述矩形硅纳米天线具有各向异性，其双折射系数会随着周围介质折射率的变化而变化，具体为硅纳米天线的双折射系数与周围介质折射率成负相关。

具体地，两个通道的衍射光强度构成双通道测量，基于硅纳米天线严格的琼斯矩阵分析，两个通道的衍射光强I₀和I₁可以表示为：

其中，φ_x(n)、φ_y(n)分别表示硅纳米天线赋予入射光沿x轴和y轴的传播相位，n表示周围介质折射率。

进一步地，所述待测介质放置于构成超表面结构的硅纳米天线之间的空隙中。

进一步地，所述两个光电探测器传感探头设置于所述二氧化硅衬底下方，用于探测两个通道的衍射光强，通过计算双通道的光强对比度来实现待测介质的折射率测量。

另一方面，本发明还提供一种基于全电介质超表面的双通道折射率传感方法，包括以下步骤：

步骤S1：矩形硅纳米天线周期性排列在二氧化硅衬底上构成全电介质超表面，待测介质置于硅纳米天线周围的空隙；

步骤S2：左旋圆偏振光或右旋圆偏振光垂直入射进全电介质超表面结构后得到不同衍射级的透射光；

步骤S3：利用二氧化硅衬底下的两个光电探测器传感探头测量这两个通道的光强，数值计算得到两个通道的光强比与周围介质折射率的函数关系近似为线性。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果至少包括：

1、本发明采用电介质材料硅纳米天线构成超表面，避免了传统金属等离子体超表面极高的欧姆损耗，从而极大的提高了折射率传感的品质因数和传感性能。

2、本发明通过测量双通道衍射光强来表征介质折射率的微小变化，不需要价格高昂且复杂的光谱测量设备，大大降低了传感器的成本。

3、本发明构建的双通道测量方法能显著降低系统外部噪声，有效的提高光学传感器的信噪比和抗干扰能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明中基于全电介质超表面的双通道折射率传感器结构示意图；

图2是本发明中设计的全电介质超表面的俯视图和具体的结构参数配置示意图；

图3是本发明中双通道的光强分别周围介质折射率的变化关系示意图；

图4是本发明中双通道的光强比与待测介质折射率的变化关系示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施例1

如图1所示，本发明提出一种基于全电介质超表面的双通道折射率传感器，包括半导体激光器、全电介质超表面结构、待测介质和至少两个光电探测器传感探头，所述半导体激光器位于全电介质超表面结构正上方，用于产生通信波长为1550nm的线偏振光，在激光器后侧添加四分之一波片，旋转波片使得线偏振光的偏振方向与波片的光轴成45度角，从而获得左旋圆偏振光或右旋圆偏振光。

实施例2

如图2所示，在本发明一种优选实施例中，所述全电介质超表面结构自下而上依次设置为二氧化硅衬底、矩形硅纳米天线。

本发明提出的一种基于全电介质超表面的双通道折射率传感器，主要在于精心设计的全电介质超表面结构，相同结构参数的矩形硅纳米天线(l,w)按照一定的旋转角

周期性排列构成二维阵列，在x方向形成了梯度光栅，这种类似于梯度光栅的全电介质超表面可以在动量空间中产生光子自旋霍尔效应，从而获得在不同衍射级的不同自旋分量，即获得两个通道的不同衍射光。

具体地，若入射光为左旋圆偏振光，则所述不同衍射级为0级和1级；若入射光为右旋圆偏振光，则所述不同衍射级为0级和-1级。0级的透射光与入射光保持相同的偏振态，1级的透射光(左旋圆偏振光)或-1级的透射光(右旋圆偏振光)由于超表面的自旋-轨道相互作用变成右旋圆偏振光，这两个通道的光强比构成双通道测量。

更进一步，具有各向异性特性的矩形硅纳米天线的双折射系数会随着周围介质折射率的变化而变化(具体为硅纳米天线的双折射系数与周围介质折射率成负相关)，从而导致自旋轨道耦合的不同衍射级透射光强会发生相应变化，这对于折射率传感提供了契机。两个通道的衍射光强度构成双通道测量，基于硅纳米天线严格的琼斯矩阵分析，两个通道的衍射光强I₀和I₁可以表示为：

其中，φ_x(n)、φ_y(n)分别表示硅纳米天线赋予入射光沿x轴和y轴的传播相位，n表示周围介质折射率。

△φ(△φ＝φ_x(n)-φ_y(n))表示硅纳米天线赋予入射光的相位差即相位延迟，研究表明这种相位延迟与硅纳米天线的几何参数、周围介质的折射率有关。优化硅纳米天线的结构参数后(l,w)，相位延迟△φ会随着周围介质折射率的增加而减小，这是由于硅纳米天线的双折射系数与介质折射率成负相关，上述公式表明双通道的透射光强(I₀和I₁)与周围介质折射率(n)存在着一定的函数关系，这是本发明提出的双通道折射率传感的理论基础。通过公式(1)可以看出两个通道的衍射光强会随着x轴和y轴之间的相位差(△φ＝φ_x(n)-φ_y(n))发生相反趋势的变化，即两个通道的衍射光强依赖于周围介质折射率n的调谐且具有相反趋势的变化。

实施例3

如图1所示，待测介质(通常是液体)置于硅纳米天线之间的空隙，两个光电探测器(PD₁和PD₂)置于在二氧化硅衬底下方，用于探测两个通道的衍射光强，从而实现待测介质的折射率测量。

实施例4

本发明设计的双通道折射率传感器置于不同介质折射率条件下(折射率n逐渐增大)，通过数值模拟可以得到两个通道接收的衍射光强(I₀和I₁)如图3所示，可以很明显的看出随着介质折射率增加，两个通道的衍射光强变化趋势与之相反，这与前面理论推导的衍射级光强是完全符合的。

实施例5

两个通道对应的衍射光强随着折射率的增加而具有相反的变化趋势，这对于双通道测量提供了条件，因此可以通过测量双通道的光强对比来反映待测介质折射的微小变化。具体数值模拟结果如图4所示，可以看出两个通道的光强对比度与折射率变化具有良好的线性关系，传感灵敏度也有了很大的提高。总的来说，这种方法可以显著降低系统外部噪声，极大地提高此类光学传感器的信噪比和传感性能。基于上述方法，可以在环境监测、生物化学传感和光通信等纳米光子学领域具有广泛的应用潜力。

实施例6

另一方面，本发明还提供一种基于全电介质超表面的双通道折射率传感方法，包括以下步骤：

步骤S1：矩形硅纳米天线周期性排列在二氧化硅衬底上构成全电介质超表面，待测介质置于硅纳米天线周围的空隙；

步骤S2：左旋圆偏振光或右旋圆偏振光垂直入射进全电介质超表面结构后得到不同衍射级的透射光；

步骤S3：利用二氧化硅衬底下的两个光电探测器传感探头测量这两个通道的光强，数值计算得到两个通道的光强比与周围介质折射率的函数关系近似为线性。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果至少包括：

1、本发明采用电介质材料硅纳米天线构成超表面，避免了传统金属等离子体超表面极高的欧姆损耗，从而极大的提高了折射率传感的品质因数和传感性能。

2、本发明通过测量双通道衍射光强来表征介质折射率的微小变化，不需要价格高昂且复杂的光谱测量设备，大大降低了传感器的成本。

3、本发明构建的双通道测量方法能显著降低系统外部噪声，有效的提高光学传感器的信噪比和抗干扰能力。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于全电介质超表面的双通道折射率传感器，其特征在于，包括：半导体激光器、全电介质超表面结构、待测介质和至少两个光电探测器传感探头，所述半导体激光器位于全电介质超表面结构的正上方。

2.根据权利要求1所述的基于全电介质超表面的双通道折射率传感器，其特征在于，所述半导体激光器产生通信波长为1550nm的线偏振光。

3.根据权利要求2所述的基于全电介质超表面的双通道折射率传感器，其特征在于，所述传感器还包括四分之一波片，设置于所述半导体激光器后侧，旋转波片使得线偏振光的偏振方向与波片的光轴成45度角，从而获得左旋圆偏振光或右旋圆偏振光。

4.根据权利要求3所述的基于全电介质超表面的双通道折射率传感器，其特征在于，所述全电介质超表面结构自下而上依次设置为二氧化硅衬底、矩形硅纳米天线，矩形硅纳米天线按照一定的旋转角周期性排列，在x轴方向形成了梯度光栅，这种类似于梯度光栅的全电介质超表面在动量空间中产生光子自旋霍尔效应，从而获得在不同衍射级的不同自旋分量，即获得两个通道的不同衍射光。

5.根据权利要求4所述的基于全电介质超表面的双通道折射率传感器，其特征在于，若入射光为左旋圆偏振光，则所述不同衍射级为0级和1级；若入射光为右旋圆偏振光，则所述不同衍射级为0级和-1级。

6.根据权利要求5所述的基于全电介质超表面的双通道折射率传感器，其特征在于，所述矩形硅纳米天线具有各向异性，其双折射系数会随着周围介质折射率的变化而变化，具体为硅纳米天线的双折射系数与周围介质折射率成负相关。

7.根据权利要求4所述的基于全电介质超表面的双通道折射率传感器，其特征在于，两个通道的衍射光强度构成双通道测量，基于硅纳米天线严格的琼斯矩阵分析，两个通道的衍射光强I₀和I₁可以表示为：

其中，φ_x(n)、φ_y(n)分别表示硅纳米天线赋予入射光沿x轴和y轴的传播相位，n表示周围介质折射率。

8.根据权利要求4所述的基于全电介质超表面的双通道折射率传感器，其特征在于，所述待测介质放置于构成超表面结构的硅纳米天线之间的空隙中。

9.根据权利要求4所述的基于全电介质超表面的双通道折射率传感器，其特征在于，所述两个光电探测器传感探头设置于所述二氧化硅衬底下方，用于探测两个通道的衍射光强，通过计算双通道的光强对比度来实现待测介质的折射率测量。

10.一种基于全电介质超表面的双通道折射率传感方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：矩形硅纳米天线周期性排列在二氧化硅衬底上构成全电介质超表面，待测介质置于硅纳米天线周围的空隙；

步骤S2：左旋圆偏振光或右旋圆偏振光垂直入射进全电介质超表面结构后得到不同衍射级的透射光；

步骤S3：利用二氧化硅衬底下的两个光电探测器传感探头测量这两个通道的光强，数值计算得到两个通道的光强比与周围介质折射率的函数关系近似为线性。

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