CN112229815A - 一种蝶形超材料光学传感器 - Google Patents
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Abstract
一种蝶形超材料光学传感器，包括：衬底(1)；超材料阵列层(2)，所述超材料阵列层(2)生长于衬底(1)的表面；所述超材料阵列层(2)的构成成分全是金属，或金属与二维材料的组合；所述超材料阵列层(2)的结构是阵列排布的多个周期性单元，所述多个周期性单元中的每一个周期性单元由两个尖端元素结构相对构成，呈蝶形对称结构。本发明提供了一种高灵敏度、窄线宽的场增强型超材料光学传感器，通过对该蝶形超材料的结构参数进行设计，可以灵活的调节该传感器的灵敏度和光谱响应波段。
Description
技术领域
本发明涉及光学传感器技术领域，尤其涉及一种蝶形超材料光学传感器。
背景技术
基于超材料的光学传感器可以对周围环境介质的细微变化做出敏感的反应，非常适用于液体样品的微量无标签检测。并且，超材料的光学特性由其几何形状、尺寸和表面介电常数决定，所以具有很高的灵活性和可调性。因为周围环境的介电常数与一些光学参数有函数关系，超材料传感器本质上也是一种光学传感器。
太赫兹时域光谱(THz-TDS)是无标签测量的强大技术之一，将THz技术与超材料传感器相结合，不仅可以开发出紧凑的太赫兹超材料传感器，而且可以开发出高灵敏度的新型太赫兹分析装置。在太赫兹超材料传感器的实际应用中，窄线宽谐振和电磁场增强是获得更高效率或灵敏度的首选。近年来，许多研究报道减小线宽可以通过在结构中加入不对称元素实现，最经典的就是一种激发Fano共振的非对称分裂环谐振器(SRR)，这种结构可以降低金属结构中等离子体模的偶极矩，从而减小结构中的辐射损耗，达到窄线宽谐振的目的。虽然SRR结构具有很好的谐振调节特性，可以实现高的Q因子，但是通过控制SRR的臂长和间隙大小来调整谐振状态，会使得结构对制造误差非常敏感，Q因子可能会因为与预期设计的微小偏差而急剧下降。并且同时在一个SRR或导电耦合结构中实现局域场增强仍然是一个挑战。
蝶形超材料是由两个尖端相对的金属结构构成，其之间的小间隙构产生的相互作用可以限制强局域近场，这个增强的局域场对周围环境介质的变化非常敏感，从而增强器件的灵敏度。近些年来，一些工作已经证明了场增强型超材料在表面增强拉曼散射、相位调制和太赫兹传感等方面的应用潜力。但是蝶形三角材料对THz的调谐特性不如SRR超材料，一方面是可改变的几何参数有限，另一方面，其结构的共振强度和线宽受到蝶形结构阻尼的限制，因此发展具有窄线宽共振和强场效应的整体蝶形超材料结构具有重要的意义。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明提供一种蝶形超材料光学传感器及其制作方法，解决现有蝶形超材料技术中存在的强局域电场产生和调谐特性的技术问题。
(二)技术方案
本发明一方面提供一种蝶形超材料光学传感器，包括：衬底1；超材料阵列层2，所述超材料阵列层2生长于衬底1的表面；所述超材料阵列层2的构成成分全是金属，或金属与二维材料的组合；所述超材料阵列层2的结构是阵列排布的多个周期性单元，所述多个周期性单元中的每一个周期性单元由两个尖端元素结构相对构成，呈蝶形对称结构。
可选地，所述衬底1为固态或柔性衬底，其材料为石英、高阻硅、砷化镓、聚酰亚胺或聚甲基戊烯中的一种。
可选地，所述衬底1的厚度为100-1000μm，所述超材料阵列层2的总厚度为150nm-3μm。
可选地，所述金属包括铜加金、铜加银、铜加钛、镍加金、镍加银、镍加钛中的一种；所述二维材料包括石墨烯、二硫化钼、二硫化钨中的一种，所述二维材料位于所述金属的表面。
可选地，所述每一个周期性单元的尖端间距为1-10μm，所述每一个周期性单元的x方向边长Lx为10-300μm，每一个所述尖端元素结构的边长Ly为10-100μm；每一个所述尖端元素结构中，构成尖端的两边切线角度小于90°；所述多个周期性单元在水平x和竖直y方向呈周期排列，在x方向的水平阵列间距范围px为5-50μm，在.y方向的竖直阵列间距范围py为5-50μm。
可选地，每一个所述尖端元素结构为三角形或三角形的衍生结构；其中，两个所述三角形相对设置构成一个周期性单元，两个所述三角形相对的尖角都小于90°；所述三角形的衍生结构为将三角形的最多两边修改成矩形齿或圆弧形而形成的结构。
可选地，所述尖端元素结构包括实心结构或空心谐振环形结构中的一种，所述空心谐振环形结构包括空心三角环结构或开口空心谐振环形结构中的至少一种。
可选地，所述空心谐振环形结构中，环宽为1-10μm；所述开口空心谐振环形结构中，开口间距为1-10μm，开口位于构成尖端的两边中至少一边的中心位置。
可选地，所述开口空心谐振环形结构包括单开口空心谐振环形结构和双开口空心谐振环形结构；其中，所述单开口空心谐振环形结构的开口位于构成尖端的两边中的任意一边；所述双开口空心谐振环形结构的开口位于构成尖端的两边。
可选地，所述蝶形超材料光学传感器的响应波段为0.5～6THz，传感光谱为透射谱、吸收谱、反射谱中的一种。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
尖端元素结构可以在尖端相对处产生一个强电场，由于它们极强的局域近场被限制在一个小的间隙内，可以实现高Q因子的窄线宽共振，并且其中的强电场可以作为传感器的一个敏感区域来测量，在高灵敏传感检测领域有很大的潜力。
此外，通过改变蝶形结构的间隙大小、尖端元素结构的角度或臂长等几何参数，可以很容易地调节蝶形结构的光学性质，使蝶形结构在实际光学应用中具有很高的灵活性。
本发明引入了尖端元素，在超材料中产生强电场，实现了局域场增强，提高了Q值，减小了辐射损耗。
本发明中的空心尖端环形结构和开口的引入，增加了蝶形结构的几何调节参数，不仅可以在结构中产生强电场，还可以提高蝶形结构超材料对THz的调谐特性，包括峰位范围，峰值灵敏度等。
本发明的尖端环形结构还可以产生高频下的等离子共振，该共振峰具有更高的灵敏度，可以实现更精确的传感。该超材料光学传感器具有结构简单、响应灵敏度高、窄线宽、调控灵活等优点，具有突出的传感特性，可以应用到生物检测、药物测量、农药检测等领域。
附图说明
图1为根据本发明实施例的蝶形超材料光学传感器的结构示意图。
图2为根据本发明实施例的三角形的衍生结构的示意图。
图3为根据本发明实施例的构成尖端的两边切线角度的示意图。
图4为根据本发明实施例的具有多个周期性单元的超材料阵列层的结构示意图。
图5为根据本发明第一、第二、第三实施例的蝶形超材料光学传感器的仿真电场模分布图。
图6为根据本发明第一、第二、第三实施例的蝶形超材料光学传感器在不同折射率下的仿真太赫兹透射谱图以及频移随折射率变化图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例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。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的某一元件和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
图1为本发明实施例的蝶形超材料光学传感器的结构示意图。
如图1所示，一种蝶形超材料光学传感器，包括：衬底1；超材料阵列层2，超材料阵列层2生长于衬底1的上表面。
衬底1为固态或柔性衬底，其材料为石英、高阻硅、砷化镓、聚酰亚胺或聚甲基戊烯中的一种。
如图1所示，衬底1的厚度H1为100-1000μm，超材料阵列层2的总厚度H2为150nm-3μm。
超材料阵列层2的构成成分全是金属，或金属与二维材料的组合。也就是说，可以全部超材料阵列层2的构成成分均是金属，或一部分超材料阵列层2的构成成分是金属，另一部分超材料阵列层2的构成成分是二维材料。
其中，该金属例如可以为铜加金、铜加银、铜加钛、镍加金、镍加银、镍加钛中的一种。并且，如果超材料阵列层2的构成成分包含了铜或镍的材料，则铜或镍位于下层；如果超材料阵列层2的构成成分包含了金、银或钛的材料，则金、银或钛位于上层。
该金属的生长方法例如可以为电镀、磁控溅射或电子束蒸发，具体本发明不做限制。
此外，为了在未来的传感测试中提高超材料表面结合样品的能力，提高灵敏度，还可以在该金属的表面转移二维材料。该二维材料例如可以为石墨烯、二硫化钼、二硫化钨中的一种，二维材料位于金属的上表面。
超材料阵列层2的结构为阵列排布的多个周期性单元，该多个周期性单元中的每一个周期性单元由两个尖端元素结构相对构成，呈蝶形对称结构。
优选地，每一个周期性单元的尖端间距d为1-10μm，每一个周期性单元的x方向边长Lx为10-300μm，每一个尖端元素结构的边长Ly为10-100μm。具体地，每一个周期性单元的x方向边长Lx为两个尖端元素结构相对构成的最外侧间距，每一个尖端元素结构的边长Ly包括构成每一个尖端元素结构的所有边长。
需要说明的是，尖端间距的限制是为保证在每一个周期性单元的中间间隙处产生场增强的效应，如果尖端间距太小则工艺上实现困难，如果尖端间距太大则产生场增强的效果会减弱甚至消失。
每一个尖端元素结构中，构成尖端的两边切线角度小于90°。需要说明的是，构成尖端的两边切线角度的控制保证了尖端的质量，使其在结构边缘形成向外凸的尖角。
每一个尖端元素结构为三角形或三角形的衍生结构。其中，三角形包括直角、锐角或钝角三角形，两个三角形相对设置构成一个周期性单元，两个三角形相对的尖角都小于90°。三角形的衍生结构为将三角形的最多两边修改成矩形齿或圆弧形而形成的结构。
图2为根据本发明实施例的三角形的衍生结构的示意图。
具体地，如图2(a)所示，圆弧形即为圆的一部分形状，圆弧半径R0≥Ly，圆弧圆心位置具体本发明不做限制。如图2(b)所示，矩形齿为将三角形的一边中的一部分宽度M0，沿着该边的垂直方向向三角形的内部平移高度N0之后形成的向内凹陷结构，其中，宽度M0≤0.5Ly，高度N0≤0.25Ly。该宽度M0在该三角形的一边中的具体位置本发明不做限制。
例如，三角形的衍生结构可以将三角形的一边修改成矩形齿或圆弧形，或者可以将三角形的其中两边修改成矩形齿或圆弧形，修改的两边的形状可以相同或不同。也就是说，可以将三角形的两边都修改成矩形齿，或者两边都修改成圆弧形，或者该两边中的一边修改为矩形齿，另一边修改为圆弧形，只需保证构成尖端的两边切线角度小于90°即可，具体本发明不做限制。
图3为根据本发明实施例的构成尖端的两边切线角度的示意图。
图3(a)为构成一个周期性单元的两个尖端元素结构，该尖端元素结构为三角形的衍生结构，每一个尖端元素结构中，构成尖端的两边切线角度即为θ角，该角度小于90°。
图3(b)也为构成一个周期性单元的两个尖端元素结构，该尖端元素结构为三角形，每一个尖端元素结构中，构成尖端的两边切线角度即为θ角，也即三角形相对的尖角，该尖角小于90°。
该尖端元素结构例如可以是实心结构或空心谐振环形结构。进一步地，该空心谐振环形结构例如可以是开口空心谐振环形结构。
需要说明的是，设计具有尖端元素的空心谐振环形结构可增加超材料可改变的几何参数，提高场增强超材料结构的THz调节特性。
优选地，空心谐振环形结构中，环宽w为1-10μm。
优选地，开口空心谐振环形结构的开口间距g为1-10μm，开口位于构成尖端的两边中至少一边的中心位置。
具体地，在每一个周期性单元中，相对设置的两个尖端元素结构的开口位置或开口个数可以相同或不同，一条边上的开口个数最多为一个，具体本发明不做限制。
开口空心谐振环形结构包括单开口空心谐振环形结构和双开口空心谐振环形结构。其中，单开口空心谐振环形结构的开口位于构成尖端的两边中的任意一边；双开口空心谐振环形结构的开口位于构成尖端的两边。
优选地，空心谐振环形结构为空心三角环形结构。进一步地，该空心三角环形结构例如可以为空心正三角环结构。
图1(a1)为根据本发明第一实施例的蝶形超材料光学传感器的结构示意图，其中，超材料阵列层2的结构是空心正三角环结构。图1(a2)为根据图1(a1)的空心正三角环结构的示意图。
如图1(a2)所示，空心正三角环结构中，优选地，环宽w为1-10μm，边长Ly为10-100μm，尖端间距d为1-10μm。
图1(b1)为根据本发明第二实施例的蝶形超材料光学传感器的结构示意图，其中，超材料阵列层2的结构是单开口空心谐振环形结构。图1(b2)为根据图1(b1)的单开口空心谐振环形结构的示意图。
如图1(b2)所示，该单开口空心谐振环形结构具体为单开口空心正三角环结构，优选地，开口位于构成尖端的两边中的任意一边的中心位置，开口间距g为1-10μm。
图1(c1)为根据本发明第三实施例的蝶形超材料光学传感器的结构示意图，其中，超材料阵列层2的结构是双开口空心谐振环形结构。图1(c2)为根据图1(c1)的双开口空心谐振环形结构的示意图。
如图1(c2)所示，该双开口空心谐振环形结构具体为双开口空心正三角环结构，优选地，开口位于构成尖端的两边的中心位置，开口间距g为1-10μm。
优选地，蝶形超材料光学传感器的响应波段为0.5-6THz，传感光谱为透射谱、吸收谱、反射谱中的一种。
图4为根据本发明实施例的具有多个周期性单元的超材料阵列层2的结构示意图。
如图4所示，本实施例中，多个周期性单元在水平x和竖直y方向呈周期排列，其中，在x方向的水平阵列间距范围px为5-50μm，在y方向的竖直阵列间距范围py为5-50μm。具体地，水平阵列间距范围px和竖直阵列间距范围py为多个周期性单元中的每一个周期性单元与其相邻的另一个周期性单元的最短间距。
在一个蝶形超材料光学传感器中，其水平阵列间距范围px和竖直阵列间距范围py可以不同或相同，具体本发明不做限制。
当多个周期性单元沿平面连续设置时，衬底1和每一个周期性单元连为一体，而各个周期性单元之间则相互隔离，使各个周期性单元构成的传感模块独立工作。周期性单元的个数为至少一个，具体本发明不做限制。
本发明还提供了以下三种具体实施例，以验证本发明提供的蝶形超材料光学传感器的局域场增强效应及器件灵敏度提升效果。
第一实施例：
准备干净无油污的高阻硅衬底，衬底的厚度为300μm。采用微纳加工光刻技术实现超材料阵列层在高阻硅衬底上的转移，该超材料阵列层的结构为空心正三角环结构，如图1(a2)所示。其中，环宽w为6μm，边长Ly为60μm，两个尖端元素的尖端间距d为2μm。
超材料阵列层的构成成分均是镍加金组成的金属，其中，镍的厚度为50nm，金的厚度为200nm。
本实施例的蝶形超材料光学传感器，响应波段范围为1.5-4THz。
通过Comsol仿真软件，计算该超材料光学传感器的电场模分布及太赫兹(THz)透射谱随周围介质折射率变化的频移图。
图5为根据本发明第一、第二、第三实施例的蝶形超材料光学传感器的仿真电场模分布图。图6为根据本发明第一、第二、第三实施例的蝶形超材料光学传感器在不同折射率下的仿真太赫兹透射谱图以及频移随折射率变化图。
具体地，图5(a)为根据本发明第一实施例的空心正三角环结构的仿真电场模分布，图6(a1)为根据本发明第一实施例的空心正三角环结构在不同折射率下的仿真太赫兹透射谱图，图6(a2)为根据本发明第一实施例的空心正三角环结构的频移随折射率变化图。
应当理解的是，在仿真太赫兹透射谱图(a1、b1、c1)中，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谱线。
本发明第一实施例中，如图5(a)所示，空心正三角环结构的中部存在一个明显的电场增强区域；如图6(a1)所示，在初始周围介质折射率为1时，产生了dip2和dip1这两个位于谐振谷的THz尖锐透射峰，其频率分别位于2.1THz和3.8THz处。其中，3.8THz的高频透射峰是等离子共振形成的，具有更高的灵敏度。
改变超材料周围介质折射率，再次进行仿真。如图6(a1)所示，随着周围介质折射率不断增大至1.1、1.2、1.3，产生的THz透射峰dip2和dipl也都不断向左移动。结果表明，随着超材料周围介质折射率的不断增大，透射峰将明显的向低频方向移动。
并且，通过超材料阵列层产生的尖锐THz透射峰在超材料周围单位介质折射率变化内的平移量来衡量该蝶形超材料光学传感器的灵敏度。图6(a2)为太赫兹透射谱频移随折射率的变化图，其中光学传感器的性能用折射率灵敏度(S)表征，表示单位折射率内的透射峰频率的变化量，其值为S＝Δf/Δn，单位为THz/RIU，其中，Δf为透射峰频率的变化量，Δn为折射率的变化量，RIU为Refractive Index Unit。
基于上式，计算得出dip1的折射率灵敏度S1为1.59THz/RIU，dip2的折射率灵敏度S2为0.8THz/RIU。可以看出，dip1的透射峰灵敏度几乎是dip2的两倍，表明高频下产生的透射峰灵敏度更高，更适用于精确的传感测量。
第二实施例：
准备干净无油污的高阻硅衬底，衬底的厚度为300μm。采用微纳加工光刻技术实现超材料阵列层在高阻硅衬底上的转移，该超材料阵列层的结构为单开口空心正三角环结构，如图1(b2)所示。其中，环宽为6μm，边长为60μm，每一个开口间距均为2μm，两个尖端元素的尖端间距d为2μm。
为了便于区分，将该两个尖端元素结构中的其中一个尖端元素结构的三个边，分别命名为A、B和C，相应地，将该两个尖端元素结构中的另外一个尖端元素结构的三个边，分别命名为A′、B′和C′。开口位于边A和边A′的中心位置，该单开口空心正三角环结构又称AA′开口三角环。
超材料阵列层的构成成分均是镍加金组成的金属，其中，镍的厚度为50nm，金的厚度为200nm。
本实施例的蝶形超材料光学传感器，响应波段范围为0.7-2THz。
通过Comsol仿真软件，计算该超材料光学传感器的电场模分布及太赫兹透射谱随周围介质折射率变化的频移图。
具体地，图5(b)为根据本发明第二实施例的AA′开口三角环的仿真电场模分布，图6(b1)为根据本发明第二实施例的AA′开口三角环在不同折射率下的仿真太赫兹透射谱图。
本发明第二实施例中，如图5(b)所示，电场增强区域位于三角形间隙处和开口处；如图6(b1)所示，在初始周围介质折射率为1时，产生了dip2和dip1这两个位于谐振谷的THz尖锐透射峰，其频率分别位于0.9THz和2.0THz处。
改变超材料周围介质折射率，再次进行仿真。如图6(b1)所示，随着周围介质折射率不断增大至1.1、1.2、1.3，产生的THz透射峰dip2和dip1也都不断向左移动。结果表明，随着周围介质折射率增大，透射峰将明显的向低频方向移动。
图6(b2)为根据本发明第二实施例的AA′开口三角环的频移随折射率变化图。参照上述第一实施例的折射率灵敏度(S)的方法，计算得出dip1灵敏度S1为0.85THz/RIU，dip2灵敏度S2为0.355THz/RIU。可以看出，dip1为高频下产生的透射峰，其灵敏度更高。并且，开口的变化使得超材料的峰位和灵敏度都发生了改变，表明开口的设置对于空心正三角环结构的透射峰位和灵敏度具有调制特性。
第三实施例：
准备干净无油污的高阻硅衬底，衬底的厚度为300μm。采用微纳加工光刻技术实现超材料阵列层在高阻硅衬底上的转移，该超材料阵列层的结构为双开口空心正三角环结构，如图1(c2)所示。其中，环宽为6μm，边长为60μm，每一个开口间距均为2μm，两个尖端元素的尖端间距为2μm。
参照上述第二实施例，同样地将该两个尖端元素结构中的每一个尖端元素结构的三个边进行相应的命名。开口位于边A、边C、边A′和边C′的中心位置，该双开口空心正三角环结构又称AA′CC′开口三角环。
超材料阵列层的构成成分均是镍加金组成的金属，其中，镍的厚度为50nm，金的厚度为200nm。
本实施例的蝶形超材料光学传感器，响应波段范围为2-5THz。
通过Comsol仿真软件，计算该超材料光学传感器的电场模分布及太赫兹透射谱随周围介质折射率变化的频移图。
具体地，图5(c)为根据本发明第三实施例的AA′CC′开口三角环的仿真电场模分布，图6(c1)为根据本发明第三实施例的AA′CC′开口三角环在不同折射率下的仿真太赫兹透射谱图。
本发明第三实施例中，如图5(c)所示，电场增强区域位于三角形间隙处和开口处；如图6(c1)所示，在初始周围介质折射率为1时，产生了dip2和dip1这两个位于谐振谷的THz尖锐透射峰，其频率分别位于3.14THz和4.7THz处。
改变超材料周围介质折射率，再次进行仿真。如图6(c1)所示，随着周围介质折射率不断增大至1.1、1.2、1.3，产生的THz透射峰dip2和dip1也都不断向左移动。结果表明，随着周围介质折射率增大，透射峰将明显的向低频方向移动。
图6(c2)为根据本发明第三实施例的AA′CC′开口三角环的频移随折射率变化图。参照上述第一实施例的折射率灵敏度(S)的方法，计算得出dip1灵敏度S1为1.78THz/RIU，dip2灵敏度S2为1.3THz/RIU。结合第二实施例的结果可以看出，开口的设置对于空心正三角环结构的透射峰位和灵敏度具有调制特性。
上述三个具体实施例仅示例性说明本发明的原理及其功效，结果表明，通过对该场增强型超材料的结构参数进行设计，可以灵活的调节该传感器的灵敏度和光谱响应波段。
综上所述，本发明提供一种高灵敏度、窄线宽的蝶形超材料光学传感器，该光学传感器具有很好的THz调节特性，可以在结构间隙区产生强电场，该场强对表面介电常数和折射率等变化因素非常敏感，从而增强超材料光学传感器的灵敏度。并且通过调整开口和尖端间距等参数，可调节传感器的光谱波段和灵敏度，可产生高频下的等离子共振效应，具有一定的结构制造误差容错率，在THz光学传感方面有很好的应用潜力。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种蝶形超材料光学传感器，其特征在于，包括：
衬底(1)；
超材料阵列层(2)，所述超材料阵列层(2)生长于衬底(1)的表面；所述超材料阵列层(2)的构成成分全是金属，或金属与二维材料的组合；所述超材料阵列层(2)的结构是阵列排布的多个周期性单元，所述多个周期性单元中的每一个周期性单元由两个尖端元素结构相对构成，呈蝶形对称结构。
2.根据权利要求1所述的蝶形超材料光学传感器，其特征在于，所述衬底(1)为固态或柔性衬底，其材料为石英、高阻硅、砷化镓、聚酰亚胺或聚甲基戊烯中的一种。
3.根据权利要求1所述的蝶形超材料光学传感器，其特征在于，所述衬底(1)的厚度为100-1000μm，所述超材料阵列层(2)的总厚度为150nm-3μm。
4.根据权利要求1所述的蝶形超材料光学传感器，其特征在于，所述金属包括铜加金、铜加银、铜加钛、镍加金、镍加银、镍加钛中的一种；所述二维材料包括石墨烯、二硫化钼、二硫化钨中的一种，所述二维材料位于所述金属的表面。
5.根据权利要求1所述的蝶形超材料光学传感器，其特征在于，所述每一个周期性单元的尖端间距为1-10μm，所述每一个周期性单元的x方向边长Lx为10-300μm，每一个所述尖端元素结构的边长Ly为10-100μm；每一个所述尖端元素结构中，构成尖端的两边切线角度小于90°；
所述多个周期性单元在水平x和竖直y方向呈周期排列，在x方向的水平阵列间距范围px为5-50μm，在y方向的竖直阵列间距范围py为5-50μm。
6.根据权利要求1所述的蝶形超材料光学传感器，其特征在于，每一个所述尖端元素结构为三角形或三角形的衍生结构；
其中，两个所述三角形相对设置构成一个周期性单元，两个所述三角形相对的尖角都小于90°；所述三角形的衍生结构为将三角形的最多两边修改成矩形齿或圆弧形而形成的结构。
7.根据权利要求6所述的蝶形超材料光学传感器，其特征在于，所述尖端元素结构包括实心结构或空心谐振环形结构中的一种，所述空心谐振环形结构包括空心三角环结构或开口空心谐振环形结构中的至少一种。
8.根据权利要求7所述的蝶形超材料光学传感器，其特征在于，所述空心谐振环形结构中，环宽为1-10μm；
所述开口空心谐振环形结构中，开口间距为1-10μm，开口位于构成尖端的两边中至少一边的中心位置。
9.根据权利要求7所述的蝶形超材料光学传感器，其特征在于，所述开口空心谐振环形结构包括单开口空心谐振环形结构和双开口空心谐振环形结构；
其中，所述单开口空心谐振环形结构的开口位于构成尖端的两边中的任意一边；所述双开口空心谐振环形结构的开口位于构成尖端的两边。
10.根据权利要求1所述的蝶形超材料光学传感器，其特征在于，所述蝶形超材料光学传感器的响应波段为0.5～6THz，传感光谱为透射谱、吸收谱、反射谱中的一种。
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