CN113376121A - 一种基于连接双半圆环孔洞的高q值超表面折射率传感器 - Google Patents

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余世林
高子昂
赵同刚
余建国
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length

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Abstract

本发明公开了一种基于连接双半圆环孔洞的高Q值介质超表面折射率传感器，所述光学折射率传感器主要由介质基底和超表面微结构单元阵列组成，其中介质超表面结构单元阵列由若干个微结构单元组成并在每个介质超表面微单元中心对称刻蚀两个连接半圆环孔洞，两个连接半圆环孔洞的内外圆半径均为R1和R2。光波垂直入射时，该发明的透射谱图中形成一个尖锐的Fano共振可用于折射率传感器。本发明由全介质材料构成，无欧姆损耗，表现出较高的Q值，可用于不同折射率的气体液体的检测。

Description

一种基于连接双半圆环孔洞的高Q值超表面折射率传感器
技术领域
本发明涉及微纳光学传感领域，特别涉及一种基于连接双半圆环孔洞的高Q值超表面折射率传感器。
背景技术
光学折射率传感器被广泛用于物理化学、生物医药、食品加工等方面的折射率测量，受到了研究者们的广泛关注。通常情况下，折射率传感器的灵敏度定义为单位折射率的共振波长变化，即：S＝Δλ/Δn。除此之外，共振腔Q值是另外一个评价光学折射率传感器的重要参数。高Q值的共振器便于检测且更容易实现集成。当下人们对于折射率传感器的研究主要集中在金属基础的等离子体结构中,然而，由于金属结构中自由电子震荡导致了很强的辐射损耗，金属结构的Q值通常较低，这限制了金属基础的等离子体结构器件在纳光子学中的应用。
最近，研究者们将目光投向了基于高折射率材料(硅、锗)的全介质超表面结构中并将其用于光学折射率传感器。超表面是一种由周期排列的超原子构成的二维超材料结构。相比于表面等离子体金属结构，高折射率材料的全介质超表面共振腔结构损耗较小，能够实现超高的品质因子(Q)和极大的局域场增强。同时，该种结构的光场主要束缚在器件内部，有利于增强材料内部光与物质的相互作用。该结构可与COMS工艺兼容的特性也促使其有望实现大规模集成化生产。
综上所述，基于当前光学折射率的研究现状以及高折射率材料全介质超表面的优势，发明人提出一种基于连接双半圆环孔洞的高Q值超表面折射率传感器。
发明内容
本发明提供了一种基于连接双半圆环孔洞的高Q值超表面折射率传感器，该发明由从下至上由介质基底和超表面微结构单元阵列组成，具有较高的Q值，灵敏度和品质因数，满足实际应用中的测量需要，具体描述如下：
一种基于连接双半圆环孔洞的高Q值介质超表面折射率传感器，所述光学折射率传感器主要由介质基底和超表面微结构单元阵列组成，其中介质超表面结构单元阵列由若干个微结构单元组成并在每个介质超表面微单元中心对称刻蚀两个连接半圆环孔洞，两个连接半圆环孔洞的内外圆半径均为R1和R2。
具体实现时，基底材料选用二氧化硅，介质超表面结构材料为单晶硅、多晶硅或者二氧化钛中的一种。
特别地，介质超表面结构的厚度t为200nm～300nm。
进一步地，所述基于连接双半圆环孔洞的高Q值超表面折射率传感器工作在红外波段中的任一波段。
具体实现时，所述的基于连接双半圆环孔洞的高Q值超表面折射率传感器可用于检测环境折射率，如气体、液体及生物传感等方面。
本发明展现的主要优势是：
1.全介质超表面结构，无欧姆损耗，无生物毒性，不易腐蚀变性使用，寿命长。
2.透射谱中产生的Fano共振具有较高的Q值，便于检测和测量。
3.超表面使用半导体介质材料，与COMS技术兼容制造成本低，有望实现大规模集成化生产。
4.本发明所述的折射率传感器可应用到气体、液体及生物传感等相关领域，能为行业实验测量带来极大的便利。
附图说明
图1为本发明一种基于连接双半圆环孔洞的高Q值超表面折射率传感器结构示意图，包括整体结构俯视图、结构单元俯视图和侧视图。
图2为实施实例所述光学折射率传感器在不同待测介质折射率下的透射响应特性。
图3为Fano共振拟合结果和FDTD仿真结果对比图。
图4为实施实例中不同折射率待测介质对应的检测共振峰变化图线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细阐释：本实施实例以本发明提出的一种基于连接双半圆环孔洞的高Q值超表面折射率传感器为前提，应当知晓，本发明保护范围包括但不仅限于该实例。
图1是列举的一种基于连接双半圆环孔洞的高Q值超表面折射率传感器实例包括超表面结构和透明的二氧化硅结构衬底。由若干个微结构单元组成并在每个介质超表面微单元中心对称刻蚀两个连接半圆环孔洞，两个连接半圆环孔洞的内外圆半径均为R1＝170nm和R2＝220nm。材质为单晶硅，其中XY方向的周期均为1000nm，硅介质超表面的厚度t为230nm。该实例的工作波长在1400nm～1500nm之间。
图2展示了该传感器实例在不同折射率环境下的透射谱图，对应检测物质的折射率分别为1，1.01，1.02，1.03，1.04，1.05.当超表面结构中填充待检测材料变化时，该结构的有效折射率也会发生变化，从而导致共振峰的位置发生相应的改变，因此可以通过共振波长的变化得到折射率的变化，完成待测物质折射率的传感检测。图2透射谱图中共振峰的红移现象验证了这一原理。
图2中的共振模式为典型的Fano共振，因此该模式满足典型的fano公式：
Figure BDA0003095258480000021
上式中ω0为共振频率，a1，a2和b均为常数，γ是整体的阻尼系数，品质因子Q＝ω0/γ，通过Fano拟合，我们可以计算出具体的Q值，拟合图形如图3所示，计算得到的Q值为556.
传感器件的灵敏度为S＝Δλ/Δn，其中Δλ为Fano共振波长的变化，Δn为介质折射率的变化。图4展示了折射率传感器共振波长与不同折射率介质的关系，λ为共振模式的共振波长，n为待测介质折射率。计算得到的该折射率传感器的灵敏度为S＝82nm/RIU。
本发明是一种高Q值的全介质传感器件，可以实现对不同折射率的气体、液体等待测物质的检测，可以在化学、医疗、集成光学等领域发挥重要作用。

Claims (5)

1.一种基于连接双半圆环孔洞的高Q值超表面折射率传感器，其特征在于，所述光学折射率传感器主要由介质基底和超表面微结构单元阵列组成，其中介质超表面结构单元阵列由若干个微结构单元组成并在每个介质超表面微单元中心对称刻蚀两个连接半圆环孔洞，且两个连接半圆环孔洞的内外半径均为R1和R2。
2.根据权利要求1所述的一种基于连接双半圆环孔洞的高Q值超表面折射率传感器，其特征在于，所述介质基底材料为二氧化硅，介质超表面结构材料为单晶硅、多晶硅或二氧化钛中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种基于连接双半圆环孔洞的高Q值超表面折射率传感器，其特征在于，介质超表面结构厚度t为200nm～300nm。
4.根据权利要求1-3所述的一种基于连接双半圆环孔洞的高Q值超表面折射率传感器，其特征在于，所述全介质超表面光学折射率传感器结构工作在红外波段中的任一波段。
5.一种权利要求1～4任一项所述的基于连接双半圆环孔洞的高Q值超表面折射率传感器在检测环境折射率的应用,检测介质折射率为n。
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