CN114324232B - 基于角度复用的痕量太赫兹指纹检测的倒置光栅传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于角度复用的痕量太赫兹指纹检测的倒置光栅传感器，包括同质的倒置光栅以及均匀涂覆于传感器上方表面的待测样品；所述倒置光栅预设角度的角度范围为0°‑75°，所述倒置光栅的材料为二氧化硅SiO2、硅Si、蓝宝石Al2O3、氮化硅Si3N4中的任意一种。在利用此倒置光栅进行痕量检测时，太赫兹波从倒置光栅结构下方入射，由于导模共振效应在结构上表面形成了倏逝波场，极大地增强样品对太赫兹波的吸收，并且利用具有平整上表面的倒置光栅进行测量，避免了在较大起伏度的图案化表面上均匀共形涂覆的工序以及复杂微机械工艺，通过预设角度的光源扫描，最终可实现痕量分子的宽带指纹增强检测。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹宽带指纹增强传感和亚波长光栅技术领域，具体为基于角度复用的痕量太赫兹指纹检测的倒置光栅传感器。
背景技术
太赫兹波是指位于微波与红外波段之间，频率为0.1-10THz范围内的电磁波，许多物质分子的转动和振动能级位于太赫兹波段，可以将分子的太赫兹频谱作为识别物质的特征指纹谱。学者们基于太赫兹时域光谱仪，结合压片检测法实现了毫克量级以上的样品检测，但该方法不适用于痕量样品检测，这是由于痕量样品的尺寸远小于太赫兹波长，导致太赫兹信号微弱。近年来，一些学者将金属超材料用于太赫兹传感检测，超材料能够有效耦合光波，实现局域的电场增强，可显著提升太赫兹检测样品的灵敏度。然而这种窄带的单一谐振增强技术无法满足具有宽带指纹峰的痕量物质特异性检测，并且金属的使用会带来高阻尼损耗影响传感性能。
基于低损耗介质超材料的宽带检测是太赫兹指纹传感器的另一个发展趋势，其优势在于能体现更为全面的分子指纹谱特性，使检测更精准更有效率。有学者设计了具有高品质因子谐振的全介质谐振器以及具有关键耦合机制的免图案化可重构结构，通过改变入射角或者液体层厚度实现谐振频率的偏移，对比样品加载前后的频谱变化，获取到物质对应的吸收谱图形，从而实现宽带范围内具有指纹谱特征的痕量检测。但这些设计在实际检测中仍存在问题，比如具有微米级别的高深宽比传感器，将难以使样品均匀地共形覆盖在其图案化表面上，或者复杂的微机械液体层厚度控制工艺将增大制造和检测难度。因此，开发一种具有无图案化结构且不涉及复杂微机械工艺的传感器件对于太赫兹宽带指纹增强检测至关重要。
发明内容
(一)解决的技术问题
本发明针对上述目前存在的问题，本发明提出了基于角度复用的痕量太赫兹指纹检测的倒置光栅传感器。通常痕量样品厚度比太赫兹波长小得多，光和样品间的相互作用非常微弱并且感知性能极低，不利于准确识别，通过导模共振原理对倒置光栅进行设计，波导层和空气层界面处由于导模共振效应激发的倏逝波场可有效增强痕量样品的吸收，结合角度复用技术，使太赫兹波从结构下方入射，待测样品涂覆于倒置光栅平整的上表面前后在不同入射角度下反射谱变化，对比结果，反演出吸收包络，实现对α-乳糖和络氨酸两种物质的精准检测。
(二)技术方案
本发明提供了基于角度复用的痕量太赫兹指纹检测的倒置光栅传感器，该方案对介质光栅进行设计，通过增强太赫兹频段吸收指纹的方法实现对两种待测样品α-乳糖和络氨酸的精准检测，操作简单，灵活性高。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于角度复用的痕量太赫兹指纹检测的倒置光栅传感器，包括同质的倒置光栅以及均匀涂覆于传感器上方表面的待测样品；所述倒置光栅预设角度的角度范围为0°-75°，所述倒置光栅的材料为二氧化硅SiO2、硅Si、蓝宝石Al2O3、氮化硅Si3N4中的任意一种。
优选的，在太赫兹波段范围内，所述二氧化硅SiO2的折射率范围为1.95-2.1，所述硅Si的折射率范围为3.4-3.48，所述蓝宝石Al2O3的折射率范围为3-3.08，所述氮化硅Si3N4的折射率范围为2.6-2.65。
优选的，所述倒置光栅包括多个检测单元；多个检测单元中的中间层波导的厚度为t1，多个检测单元中的下层光栅层的厚度为t2，多个检测单元的周期为p，多个检测单元中的下层光栅层的占空比f；
厚度t1为50-200μm，厚度t2为10-100μm，周期p为50-300μm，占空比f为0.3-0.7。
优选的，当所述待测样品为α-乳糖时，厚度t1为150μm，厚度t2为50μm，占空比f为0.45，周期P为260μm。
优选的，当所述待测样品为络氨酸时，厚度t1为150μm，厚度t2为50μm，占空比f为0.5，周期p为100μm。
(三)有益效果
本发明提供了基于角度复用的痕量太赫兹指纹检测的倒置光栅传感器。具备以下有益效果：
提供的基于角度复用的痕量太赫兹指纹增强检测的倒置光栅传感器，倒置同质光栅以及均匀涂覆于传感器上方表面的待测样品。在利用此倒置光栅进行痕量检测时，太赫兹波从倒置光栅结构下方入射，由于导模共振效应在结构上表面形成了倏逝波场，极大地增强样品对太赫兹波的吸收，并且利用具有平整上表面的倒置光栅进行测量，避免了在较大起伏度的图案化表面上均匀共形涂覆的工序以及复杂微机械工艺，通过预设角度的光源扫描，最终可实现痕量分子的宽带指纹增强检测。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于角度复用的痕量太赫兹指纹检测的平面化倒置光栅传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的不同入射角度下的空载倒置光栅传感器的归一化横向电场分布图；
图3为本发明实施例提供的为涂覆于倒置光栅表面的α-乳糖的光学参数n-k值曲线图；b为本发明实施例提供的在28°-71°入射角度下的空载倒置光栅传感器的反射率曲线图；c为本发明实施例提供的在28°-71°入射角度下的涂覆α-乳糖于倒置光栅传感器表面的反射率曲线图；d为本发明实施例提供的对比α-乳糖涂覆前后反射率曲线图得到的吸收峰包络曲线、无结构吸收曲线、吸收增强因子柱状图；
图4为本发明实施例提供的为涂覆于倒置光栅表面的络氨酸的光学参数n-k值曲线图；b为本发明实施例提供的在26°-62°入射角度下的空载倒置光栅传感器的反射率曲线图；c为本发明实施例提供的在26°-62°入射角度下的涂覆络氨酸于倒置光栅传感器表面的反射率曲线图；d为本发明实施例提供的对比络氨酸涂覆前后反射率曲线图得到的吸收峰包络曲线、无结构吸收曲线、吸收增强因子柱状图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。
如图1-4所示，本发明提供技术方案：包括：同质的倒置光栅1以及均匀涂覆于传感器上方表面的待测样品2。在利用此倒置光栅1进行痕量检测时，不但可以增强样品对太赫兹波的吸收，还避免了在较大起伏度的图案化表面上均匀共形涂覆的工序以及复杂微机械工艺，通过预设角度的光源扫描，实现了痕量分子的宽带指纹增强检测。
实施例一
参见图1，该基于角度复用的痕量太赫兹指纹增强检测的倒置光栅传感器，包括：同质倒置光栅1以及均匀涂覆于传感器上方表面的待测样品2。
在本发明实施例中，上述预设角度的角度范围为0°-75°。
作为本发明的一个实施例，同质倒置光栅1构成亚波长光栅单元结构；其中，同质倒置光栅1为二氧化硅(SiO2)。
作为本发明的一个实施例，在太赫兹波段范围内，二氧化硅(SiO2)的折射率为1.97。
在本发明实施例中，上述倒置光栅1结构由以下参数定义：所述倒置光栅1波导层的厚度t1，所述倒置光栅1光栅层的厚度t2，所述倒置光栅1的周期p，所述倒置光栅1光栅层的占空比f。
作为本发明的一个实施例，上述倒置光栅1波导层的厚度t1为150μm，所述倒置光栅1光栅层的厚度t2为50μm，所述倒置光栅1的周期p为260μm，所述倒置光栅1光栅层的占空比f为0.5。
在本发明实施例中，当太赫兹波以不同的角度入射倒置光栅1时，会使得倒置光栅1的共振频率有所偏移，并且会在结构波导层与空气层交界面处形成由于导模共振激发的倏逝波场，在垂直方向上倏逝波逐渐衰减。参见图2，0度入射角远离共振位置处，也就是0.65THz时，归一化电场图显示为多层结构的背景响应。在0度、15度、24度的共振位置处，也就是0.701THz、0.6303THz、0.5944THz时，波导层与空气层交界面处形成由于导模共振激发的倏逝波场，出现了显著的表面增强效果。
可以理解，上述导模共振模式激发了在空气与倒置光栅1上表面的交界处的倏逝波，实现了场增强，因此在实际检测中，可以在将样品放置于倒置光栅1波导层平整表面的上方，增强样品对太赫兹波的吸收，用于完美的指纹特异性识别检测。而该结构不包含金属材料，避免了金属材料固有的高阻尼损耗所带来的背景噪声干扰，也避免了在较大起伏度的图案化表面上均匀共形涂覆的工序以及复杂微机械工艺，增加太赫兹波和样品的相互作用，提高了指纹宽带检测的精准度。
实施例二
在本发明实施例中，当均匀涂覆于传感器上方表面的待测样品2为α-乳糖时，上述倒置光栅1波导层的厚度t1为150μm，所述倒置光栅1光栅层的厚度t2为50μm，所述倒置光栅1的周期p为260μm，所述倒置光栅1光栅层的占空比f为0.5。
通过图3b和图3c可以反映倒置光栅1传感器性能，从28°到71°的角度范围对涂覆了α-乳糖前后的倒置光栅1结构进行扫描，对比角度扫描的两组反射率曲线前后的差值，得到吸收峰包络曲线。由于倏逝波的场增强原理，包络线在0.53THz处存在吸收峰，吸收率指纹谱与超表面的结构参数k值曲线具有一致性，还原了分子的指纹图谱，实现了宽带指纹检测。接着，对α-乳糖样品在太赫兹宽带范围内的吸收增强进行评估，对比1μm的α-乳糖放置在同样厚度的无图案衬底上的参考吸收，发现吸收增强因子可以达到15dB附近。
实施例三
在本发明实施例中，当均匀涂覆于传感器上方表面的待测样品2为络氨酸时，上述倒置光栅1波导层的厚度t1为150μm，所述倒置光栅1光栅层的厚度t2为50μm，所述倒置光栅1的周期p为100μm，所述倒置光栅1光栅层的占空比f为0.5。
通过图3b和图3c可以反映倒置光栅1传感器性能，从28°到71°的角度范围对涂覆了络氨酸前后的倒置光栅1结构进行扫描，对比角度扫描的两组反射率曲线前后的差值，得到吸收峰包络曲线。由于倏逝波的场增强原理，包络线在0.956THz处存在吸收峰，吸收率指纹谱与超表面的结构参数k值曲线具有一致性，还原了分子的指纹图谱，实现了宽带指纹检测。接着，对络氨酸样品在太赫兹宽带范围内的吸收增强进行评估，对比1μm的络氨酸放置在同样厚度的无图案衬底上的参考吸收，发现吸收增强因子同样可以达到15dB附近。
从上述实施例1-3中总结：器件均使用低损耗的介质，避免传统金属寄生损失；导模共振结构激发了倒置光栅1的平整上表面的倏逝波场，提升了吸收较弱的样品的检测信号，避免了在较大起伏度的图案化表面上均匀共形涂覆的工序以及复杂微机械工艺；无标记的检测，仅需将样品涂覆于平面化的器件表面，进行角度扫描，检测方法便捷并且对样品的影响小。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (3)
1.基于角度复用的痕量太赫兹指纹检测的倒置光栅传感器，其特征在于，包括同质的倒置光栅(1)以及待测样品(2)，待测样品(2)将均匀共形涂覆于具有平坦上表面的倒置光栅(1)的传感器的上方；所述倒置光栅(1)预设角度的角度范围为0°-75°，所述倒置光栅(1)的材料为二氧化硅SiO2、硅Si、蓝宝石Al2O3、氮化硅Si3N4中的任意一种；
所述倒置光栅(1)包括多个检测单元；多个检测单元中的中间层波导的厚度为t1，多个检测单元中的下层光栅层的厚度为t2，多个检测单元的周期为p，多个检测单元中的下层光栅层的占空比f；厚度t1为50-200μm，厚度t2为10-100μm，周期p为50-300μm，占空比f为0.3-0.7。
2.根据权利要求1所述的基于角度复用的痕量太赫兹指纹检测的倒置光栅传感器，其特征在于：当所述待测样品(2)为α-乳糖时，厚度t1为150μm，厚度t2为50μm，占空比f为0.45，周期P为260μm。
3.根据权利要求1所述的基于角度复用的痕量太赫兹指纹检测的倒置光栅传感器，其特征在于：当所述待测样品(2)为络氨酸，厚度t1为150μm，厚度t2为50μm，占空比f为0.5，周期p为100μm。
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