CN114593818A - 一种基于超材料的芯片式光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超材料的芯片式光谱仪。所述芯片式光谱仪包含至少一个超材料探测单元，且超材料探测单元数越多，所能分析的频点越多。超材料探测单元包括频率选择结构和光电转换结构。在进行光谱分析时，各超材料探测单元中的频率选择结构对于目标信号中特定频率发生响应，并产生局域电场和磁场；置于局域场中的光电转换结构中的自由载流子因受到洛伦兹力作用而发生定向偏转，从而在其边界形成直流电势差。各超材料探测单元对应于各自的频率，如此便实现了特定光频与特定电信号的对应，完成了频谱分析。本发明芯片式光谱仪实现频率分辨和光电探测一体化，具有结构简单、响应速度快、体积小易集成、响应波段范围大等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于超材料的芯片式光谱仪，属于光学电子器件领域。
背景技术
光谱仪作为一种分析光谱成分的工具，广泛应用在食品成分分析、生物检测传感、医疗健康检测、图像频谱分析等方面，其主要包括光谱分辨和光电检测两个方面。当前所采用的光谱仪技术主要有两大类。第一类是基于光栅分光原理结合光电探测器构建的光谱仪，其主要利用光学器件将光谱的不同频率成分汇聚到不同的空间位置，再利用光电探测器捕捉不同空间位置的频谱成分，完成光谱分析；第二类是基于傅里叶变换的光谱仪，其主要包含可移动的迈克尔逊干涉仪构成，利用干涉原理，采集等效的时域信号，再将其进行光电转换后，利用计算机完成傅里叶变换得到光谱信息。现有光谱仪的光谱分辨和光电探测是独立的，因此包含较多部件，使得光谱仪尺寸较大、不利于集成，同时基于现有的探测原理，所覆盖的频段有限，同一个光谱仪仅仅工作在较窄的一段频率内，不具备宽频带通用性。
超材料由于其独特的电磁波响应特性，近年来得到飞速发展。利用超材料的亚波长结构特性，以及对电磁波的频率选择作用，可以实现光谱分辨，同时结合新的光电探测理论，可尝试用其构建一种新式光电光谱仪，实现光谱分辨和光电转换一体化，从而克服现有光谱仪体积庞大、不易集成、工作频率受限、采样时间较长等缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于超材料的芯片式光谱仪，能够实现频率分辨和光电探测一体化，具有结构简单、响应速度快、体积小易集成、响应波段范围大等优点。
本发明所提供的基于超材料的芯片式光谱仪，包括至少一个超材料探测单元；
所述超材料探测单元包括频率选择结构和光电转换结构，且所述光电转换结构位于所述频率选择结构与目标电磁波的谐振作用形成的局域电磁场之中，除此之外，相互之间几何关系没有特殊限制，所述光电转换结构用于目标电磁波(光)到电信号的转换；
所述超材料探测单元整体设于低损耗衬底上。
当所述超材料探测单元工作时，所述频率选择结构对于目标频率范围的电磁波产生谐振响应，在频率选择结构内部产生局域电场和磁场，其局域电场和磁场强度均比入射电磁波的电场和磁场强度有所增强。而目标频率范围外的电磁波不与该频率选择结构产生谐振响应，因此不产生局域电场和磁场增强。所述光电转换结构置于频率选择结构的局域电场和磁场区域之内，在前述局域电场和磁场共同作用下，所述光电转换结构中的自由载流子会由于洛伦兹力的作用而发生运动，其运动分量包含一个直流分量，在该直流分量的作用下，所述光电转换结构中的自由载流子将会发生定向运动，从而在光电转换结构的两端边界处形成异号电荷的积累，产生直流电势差。通过直接记录该直流电势差，便可以计算得到频率选择结构所选择出的频率的电磁波的电场强度，如此便实现了该频率电磁波的探测。
不同的所述超材料探测单元中不同的所述频率选择结构选择出不同的频率成分，并通过各自的所述光电转换结构实现电磁波到直流电势差的转换。将多个不同的所述超材料探测单元的组合，便可以对包含多个频率成份的光波进行频谱分析记录。
所述频率选择结构，对于特定极化、特定频率的电磁波产生谐振响应，并具有亚波长尺寸，其作用有两种：其一是对众多频率中某个特定频段进行选择性响应，完成对频率的选择；其二是产生所需的局域电场和磁场。所述频率选择结构的形状不唯一，可以是几何连续，也可以是多个分立形状组合而成。具体的，如图1(a)所示，所述频率选择结构为开口谐振环结构，在开口谐振环内部形成局域电场和磁场，光电转换结构放置在开口环谐振结构内部。
所述频率选择结构的构成材料，只需满足电磁波谐振对材料的基本要求，没有额外的限制；可以是Al、Au、Ag、Cu、Ni等良导体金属材料，也可以是TiO2、SiO2、BaTiO3、GaF2、MgF2、MgO等介质材料；也可以是重掺杂或不掺杂的GaAs、Si、Ge、Se、ZnS、CdTe、HgTe等半导体，所述重掺杂或不掺杂的半导体中掺杂的元素包括硼元素、磷元素、砷元素、锑元素等；可以是聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、环氧树脂、酚醛树脂等高分子材料；亦可以是填充了炭黑、碳纳米管、石墨烯、金属等导电填料的导电高分子材料。
所述光电转换结构，是完成光信号到电信号的转换，需位于频率选择结构产生的局域电场和磁场之内。所述光电转换结构的形状没有特殊限制，可以是连续的结构，也可以是分立的结构，具体形状与光谱仪电信号的接线方式有关。
所述光电转换结构由具有自由载流子的材料组成，可以是Bi、Cd3As2、CrO2、CoS2等半金属材料；也可以是n型或p型掺杂的Si、Ge、Se、InP等半导体材料；亦可以是石墨烯、黑磷、MoS2等二维材料。
所述低损耗衬底是指对目标电磁波损耗较低的材料，如在微波波段的特氟龙、FR-4等，太赫兹波段的高纯Si、高纯GaAs、高纯Ge等，可见光波段的玻璃、石英等，具体选择视所述基于超材料的芯片式光谱仪工作波段而定。
所述超材料探测单元可以单独使用，完成单个频段检测；也可以不同尺寸的超材料探测单元共同使用，完成多个频段检测；也可以与其他设备联合使用，完成成像分析、安检检测等功能。
本发明具有如下有益效果：
1)本发明采用的超材料探测单元为亚波长尺寸，整体结构可以用常规半导体加工工艺制备，为小尺寸、易集成的芯片式光谱仪；
2)本发明采用的超材料探测单元同时完成光谱分辨和光电转换过程，无需额外的光栅、干涉仪等光谱分辨光学元件，也不需要额外的光电探测器，整体设备小，便于携带；
3)本发明采用的超材料探测单元对响应波长具有完全的设计自由度，覆盖从射频波段到可见光波段(波长范围可包括400nm～4m)；
4)本发明提供的芯片式光谱仪，基于洛伦兹力直接驱动载流子运动实现光电转换，因此具备皮秒级的超快响应速度。
附图说明
图1(a)为本发明实施例1中的基于超材料的芯片式光谱仪的超材料探测单元示意图；其中，1表示光电转换结构，2表示频率选择结构，3表示低损耗衬底；
图1(b)为本发明实施例1中的基于超材料的芯片式光谱仪的超材料探测单元1光谱响应示意图。
图2(a)为本发明实施例1中的超材料探测单元1在太赫兹波段的频率响应选择特性；图2(b)为本发明实施例1中的超材料探测单元1在单频点电磁波照射下的光电转换结果。
图3(a)为本发明实施例1中的4个不同尺寸的超材料探测单元组合示意图；图3(b)为本发明实施例1中的4个不同尺寸的超材料探测单元在太赫兹波段的频率响应选择特性，中心工作频率分别为0.6THz、0.8THz、1.0THz和1.2THz。
图4为本发明实施例1中的4个不同尺寸的超材料探测单元产生的直流电压和功率密度的依赖关系。
图5为本发明实施例1中的基于超材料的芯片式光谱仪频谱分析结果示意。
图6为图1所示的单个超材料探测单元组合起来构成的芯片式光谱仪的工作概念图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。
下述实施例中所涉及到的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所涉及到的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
本发明实施了提供一种可以分辨4个频率的基于超材料的芯片式光谱仪，4个频率分别为0.6THz、0.8THz、1.0THz和1.2THz，可以采用紫外光刻或激光直写技术制备超材料探测单元结构。
本发明提供的超材料探测单元由以下部分组成：
图1(a)中的标记1表示光电转换结构，具体材料为n型掺杂GaAs，尺寸如下：超材料探测单元1为14μm×14μm，厚度为300nm；超材料探测单元2为9μm×9μm，厚度为300nm；：超材料探测单元3为7μm×7μm，厚度为300nm；超材料探测单元4为5μm×5μm，厚度为300nm。具体排列见图3(a)。
图1(a)中的标记2表示频率选择结构，具体材料为金，尺寸如下：超材料探测单元1线条宽度为6μm，外边长为31μm，缺口宽度为2μm，金层厚度为300nm；超材料探测单元2线条宽度为6μm，外边长为25μm，缺口宽度为2μm，金层厚度为300nm；超材料探测单元3线条宽度为4μm，外边长为19.5μm，缺口宽度为2μm，金层厚度为300nm；超材料探测单元4线条宽度为4μm，外边长为17μm，缺口宽度为2μm，金层厚度为300nm。具体排列见图3(a)。
图1(a)中的标记3表示在太赫兹波段低损耗的衬底，具体材料为高纯GaAs(腐蚀缺陷密度为1500～5000cm2)，厚度为10μm，在太赫兹波段的相对介电常数为12.9；4个超材料探测单元组合在一起，整体尺寸为160μm×160μm。
图1(b)为超材料探测单元1的整体频率响应曲线，入射波采用平面波正入射，谐振频率设计为0.6THz，计算结果与设计相符。可以看出，在0.6THz附近，超材料探测单元1有一个谐振响应，且具有一个狭窄的峰形。远离0.6THz的频率处，超材料探测单元1不表现谐振特性，因此超材料探测单元1可以用来选择入射光谱中的0.6THz频率成分。
图2(a)为超材料探测单元1归一化的电磁响应度，可以看到在0.6THz附近表现一个具有频率选择特性的响应曲线；
图2(b)为超材料探测单元1对于0.6THz电磁波照射的光电转换响应，入射太赫兹波电场强度为107V/m，能够在超材料探测单元1中光电转换结构两端得到35mV的积分直流电压，可以看出，在经过超材料探测单元1中的频率选择结构选择0.6THz频率之后，超材料探测单元1中的光电转换结构可以完成电磁波到电信号的转换，因此无需额外的光学分光元件和光电探测器，所述超材料探测单元1便可以完成频率选择和光电转换。
图3(a)为4个不同尺寸的超材料探测单元组合示意图，分别为超材料探测单元1、超材料探测单元2、超材料探测单元3和超材料探测单元4；
图3(b)为4个不同尺寸的超材料探测单元在太赫兹波段的频率响应选择特性，中心工作频率分别为0.6THz、0.8THz、1.0THz、1.2THz。可以看出，不同的超材料探测单元对于不同的频率具有选择特性，结合各超材料探测单元中的光电转换结构作用，便可以完成对光谱中不同频率的选择和记录，如此便完成了光谱分析过程，说明该器件具备光谱仪的功能。
图4为4个不同尺寸的超材料探测单元产生的直流电压和功率密度的依赖关系。从图中可以看出，在功率密度入射下，各超材料探测单元获得的直流电压和入射电磁波功率密度成正比，且线性度良好。因此通过测试记录各超材料探测单元的直流电压，便可以通过数学推导计算入射电磁波各频率对应的强度。
图5为一个光谱仪实际重构电磁波强度的案例。图5(a)显示了理论计算得到的4个超材料探测单元两端的直流电压，利用各自的直流电压，对各频率的场强进行重构，重构结果见图5(b)，可以看到，由该光谱仪完成的重构场强，和真实入射场强的相对误差在1％以内，说明本发明光谱仪具备较好的频率分析性能。
图6为图1所示的单个超材料探测单元组合起来构成的芯片式光谱仪的工作概念图。该基于超材料的芯片式光谱仪包含超材料探测单元个数越多，可分析光谱频点数目越多。当待测电磁波照射到光谱仪上时，对应频率的超材料探测单元产生直流电流，通过对直流电信号的记录和计算，便可以得到被分析电磁波的频谱信息。
在本发明提供的基于超材料的芯片式光谱仪中，超材料探测单元中的频率选择结构可以完成对光谱频率的检测和选择，光电转换结构完成光信号到电信号的转换。因此无需额外的光栅等分光器件以及光电探测器等光电测试器件，单个探测单元尺寸低至亚波长量级，实现光谱分辨和光电转换为一体，可以大幅减少光谱仪的器件数量和体积，便于集成和携带。同时频率选择特性完全由超材料结构决定，理论上可以适用于从微波波段到可见光波段(波长范围可包括400nm～4m)。
Claims (8)
1.一种基于超材料的芯片式光谱仪，包括至少一个超材料探测单元；
所述超材料探测单元包括频率选择结构和光电转换结构，且所述光电转换结构位于所述频率选择结构与目标电磁波的谐振作用形成的局域电磁场之中，所述光电转换结构用于目标电磁波到电信号的转换；
所述超材料探测单元整体设于低损耗衬底上。
2.根据权利要求1所述的芯片式光谱仪，其特征在于：所述频率选择结构对入射光谱的特定频率进行选择，并产生局域电磁场。
3.根据权利要求1或2所述的芯片式光谱仪，其特征在于：所述频率选择结构呈几何连续结构或由多个分立形状形成的结构。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的芯片式光谱仪，其特征在于：所述频率选择结构的组成材料选自下述任意一种：良导体金属材料、介质材料、重掺杂或不掺杂的半导体、高分子材料和导电高分子材料。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的芯片式光谱仪，其特征在于：所述光电转换结构呈单个彼此分离的结构或连续的几何结构。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的芯片式光谱仪，其特征在于：所述光电转换结构由具有自由载流子的材料组成，选自下述任意一种：n型或p型掺杂的半导体材料、半金属材料和二维材料。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的芯片式光谱仪，其特征在于：所述低损耗衬底为一承接平台，材料为特氟龙、FR-4、高纯Si、高纯GaAs、高纯Ge、玻璃或石英。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的芯片式光谱仪，其特征在于：所述芯片式光谱仪可包含若干个所述超材料探测单元；
若干个所述超材料探测单元以平面阵列、嵌套、随机和/或纵向堆叠的形式组合排布。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210294473.1A CN114593818A (zh) | 2022-03-24 | 2022-03-24 | 一种基于超材料的芯片式光谱仪 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210294473.1A CN114593818A (zh) | 2022-03-24 | 2022-03-24 | 一种基于超材料的芯片式光谱仪 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114593818A true CN114593818A (zh) | 2022-06-07 |
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ID=81810442
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210294473.1A Pending CN114593818A (zh) | 2022-03-24 | 2022-03-24 | 一种基于超材料的芯片式光谱仪 |
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| CN (1) | CN114593818A (zh) |
-
2022
- 2022-03-24 CN CN202210294473.1A patent/CN114593818A/zh active Pending
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