CN115036665A - 硅波导增强片上太赫兹振动吸收光谱的器件及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅波导增强片上太赫兹振动吸收光谱的器件及方法。该器件从上至下依次是硅波导、苯丙环丁烯介质层和石英衬底，硅波导上开设有贯通至苯丙环丁烯介质层表面的太赫兹入射通道、太赫兹出射通道以及样品承载区；样品承载区位于硅波导的中心，太赫兹入射通道和太赫兹出射通道分别连接在样品承载区的两侧；双锥形长波导沿太赫兹入射通道、样品承载区、太赫兹出射通道平铺于苯丙环丁烯介质层表面。本发明利用通道波导、中间样品承载区域以及锥形长波导增强周围的局域光场，当分析物处于通道和样品承载区时，增强的光场充分与待测物相互作用，能够显著提高太赫兹吸收光谱强度，该方法具有对太赫兹吸收光谱的适用性。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹波器件领域，具体涉及一种硅波导增强片上太赫兹振动吸收光谱的器件及方法。
背景技术
太赫兹(THz)吸收光谱是一种强大的分析化学工具，可以检测化学和有机分子的分子间振。对这些分子间振动的研究有利于揭示大型生物分子的动力学特征。自由空间吸收光谱是太赫兹光谱学常用的传统方法，已被广泛用来研究材料特性。由于衍射极限和太赫兹波的长波长，在测量过程中需要大量的样品材料。此外，太赫兹波与被测样品之间的相互作用长度受到样品材料可用数量的限制。最后，由于太赫兹源的低功率和自由空间中水汽吸收影响，这类装置具有较低的信噪比，不能够捕获较弱的吸收特征。值得注意的是，虽然通过优化自由空间中的装置，封闭部分装置以及使用干燥气体净化介质可以进一步提升信噪比，但这类方法会增加检测成本以及增大设备体积。在最近的一些研究，通过利用超表面结构中的局域电场，已经提高了自由空间装置的灵敏度。太赫兹波导在传感和光谱学应用中具有广泛的应用。基于波导的太赫兹光谱学使得太赫兹信号在波导中与样本相互作用，与自由空间装置相比有许多优势。首先，需要更少的样本。在基于波导的装置中，波导模态场分布(具有亚波长特征)与样品相互作用，因此，亚波长样品可以与整个模态功率相互作用。其次，由于波在波导内传播，可以获得更好的信噪比。专利1[CN202010839539.1]公布了一种基于表面增强红外吸收光谱的狭缝光波导传感器，利用狭缝波导结构将光限制在低折射率的狭缝中，处于狭缝中的金属天线的缝隙增强了缝隙周围的局部光场，当分析物填充狭缝时，增强的光场充分与待测物相互作用，提高了传感器的灵敏度。此方法由于结构设计和材料的限制，工作在红外波段，无法工作在太赫兹波段。在太赫兹频率范围内，有几种金属波导被用于基于波导的吸收光谱学：单金属线波导、微带线和共面波导和平行板金属波导。虽然这些金属波导减少了所需的样品材料的数量，但随着工作频率的增加，由于在太赫兹频率范围金属波导的固有损耗，它们的性能迅速下降。同时，现有的波导增强结构的增强倍数有限，不能够较大幅度的增强吸收光谱。
发明内容
本发明的目的在于解决现有矩形波导、脊形波导以及金属波导等结构的太赫兹波被限制在介质层、无法与待测物相互作用，且由于金属波导的固有损耗，导致太赫兹吸收光谱灵敏度低的问题，并提供一种硅波导增强片上太赫兹振动吸收光谱的器件及方法。本发明利用通道波导、中间样品承载区域以及锥形长波导增强周围的局域光场，当分析物处于通道和样品承载区时，增强的光场充分与待测物相互作用，能够显著提高太赫兹吸收光谱强度，该方法具有对太赫兹吸收光谱的适用性。
本发明所采用的具体技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种硅波导增强片上太赫兹振动吸收光谱的器件，该器件由不同的功能层叠加而组成，从上至下依次是硅波导、苯丙环丁烯介质层和石英衬底，所述硅波导上开设有贯通至苯丙环丁烯介质层表面的太赫兹入射通道、太赫兹出射通道以及样品承载区；样品承载区位于硅波导的中心，用于承载待测样品，太赫兹入射通道和太赫兹出射通道分别连接在样品承载区的两侧；双锥形长波导沿太赫兹入射通道、样品承载区、太赫兹出射通道平铺于苯丙环丁烯介质层表面，其位于太赫兹入射通道侧的一端作为输入端，位于太赫兹出射通道侧的一端作为输出端；太赫兹波从输入端输入，能够在波导表面产生倏逝波，增强样品承载区中太赫兹波与待测样品的相互作用，作用后的太赫兹波信号从输出端输出。
作为优选，所述双锥形长波导为双锥形长直波导，沿太赫兹入射通道、样品承载区、太赫兹出射通道直线铺设。
作为优选，所述双锥形长波导为弯曲波导，位于样品承载区内的波导段呈波浪线形式弯曲。
作为优选，所述石英衬底的材料为石英，相对介电常数4.45；
作为优选，所述苯丙环丁烯介质层的材料为苯丙环丁烯，相对介电常数2.45。
作为优选，所述硅波导和所述双锥形长波导的波导材料为高阻硅，相对介电常数为11.69，电阻率为5kΩ·cm，厚度均为80～120μm。
作为优选，所述太赫兹入射通道和太赫兹出射通道均为矩形，宽度为570～590um，长度为4～5mm；所述样品承载区呈矩形，长度为6～8mm，宽度为3～6mm。
作为优选，所述双锥形长直波导的宽度为170～190um，厚度为80～120um。
作为优选，所述弯曲波导的弯曲半径为0.9～1.1mm。
第二方面，本发明提供了一种利用如第一方面中任一方案所述器件的多晶α-乳糖太赫兹吸收光谱测量方法，具体如下：首先，将待测的多晶α-乳糖加入样品承载区中，与所述双锥形长波导充分接触；然后，将太赫兹波经过透镜聚焦后通过所述双锥形长波导的输入端输入双锥形长波导中，在波导表面形成对应的倏逝波，在波导附近产生电磁增强效应从而增强入射太赫兹波和样品承载区中的α-乳糖材料的相互作用，在表面等离激元共振频率点附近增强α-乳糖材料对入射波的吸收，作用后的太赫兹反射信号从双锥形长波导的输出端射出后被检测。
本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
本发明提出的太赫兹吸收谱增强器件结构采用了硅-苯并环丁烯-石英结构的波导结构，长波导穿过样品承载区充分与样品接触，利用入射太赫兹波射入波导在波导表面产生倏逝波，倏逝波与样品承载区样品充分作用，利用其电磁增强效应实现对微量样品的增强太赫兹吸收谱检测。此外，通过利用硅基器件的先进制造工艺，可以改变硅-苯并环丁烯-石英结构的波导结构，从而进一步增强捕获指纹的强度。本发明的吸收谱增强器件结构新颖，测试方法操作便捷，能够利用倏逝波得到局域增强的太赫兹电场，实现生物样品(包括溶液样品)的增强太赫兹吸收光谱测量。
附图说明
图1为本发明的长直波导吸收光谱增强结构示意图；
图2为本发明的弯曲波导吸收光谱增强结构示意图；
图3为本发明两种结构波导吸收光谱对比图。
图中：1为石英衬底；2为苯并环丁烯介质层；3为硅波导；4为双锥形长直波导；5为太赫兹入射通道；6太赫兹波出射通道；7为样品承载区；8为弯曲波导。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
如图1和图2所示，在本发明的一个较佳实施例中，提供了两种不同的硅波导增强片上太赫兹振动吸收光谱的器件，该器件由不同的功能层叠加而组成，从上至下依次是硅波导3、苯丙环丁烯介质层2和石英衬底1，两种器件中的双锥形长波导不同，其余的结构均相同。其中，硅波导3上开设有贯通至苯丙环丁烯介质层2表面的太赫兹入射通道5、太赫兹出射通道6以及样品承载区7。样品承载区7位于硅波导3的中心，用于承载待测样品，太赫兹入射通道5和太赫兹出射通道6分别连接在样品承载区7的两侧。双锥形长波导沿太赫兹入射通道5、样品承载区7、太赫兹出射通道6平铺于苯丙环丁烯介质层2表面，其位于太赫兹入射通道5侧的一端作为输入端，位于太赫兹出射通道6侧的一端作为输出端。上述双锥形长波导是指两端均为锥形结构的波导。在该器件中，太赫兹波从输入端输入，能够在波导表面产生倏逝波，增强样品承载区7中太赫兹波与待测样品的相互作用，作用后的太赫兹波信号从输出端输出。
两种不同的双锥形长波导的形式区别在于是否弯曲。图1所示的第一种双锥形长波导是双锥形长直波导4，其沿太赫兹入射通道5、样品承载区7、太赫兹出射通道6直线铺设。图2所示的第二种双锥形长波导是弯曲波导8，位于样品承载区7内的波导段呈波浪线形式弯曲。两种双锥形长波导的区别仅在于布置形式不同，但工作原理都相似，将太赫兹波从锥形长波导的输入端输入，波导基模的倏逝场延伸出波导纤芯区域，并与波导周围的材料样品相互作用，作用后的太赫兹波从输出短输出，输出的检测信号用于后续信号探测和处理。
本发明还提供了一种基于上述太赫兹吸收光谱增强的测试方法，在样品承载区中填入待测样品，利用太赫兹源，向双锥形长波导射入太赫兹波，入射太赫兹波沿着双锥形长波导进入样品承载区，在双锥形长波导附近产生倏逝波，由于一部分模态场被限制在波导内，只有在双锥形长波导之外的部分场通过样品产生相互作用，相互作用后的太赫兹波从双锥形长波导输出端输出，用于后续信号探测和处理。
当样品承载区填充有损耗样品时，输出功率可以表示为
其中，P0表示太赫兹波的输入功率，P表示输出功率，αWG表示波导的损耗，αS表示有损材料的吸收稀疏，L表示波导和有损材料的长度，Γ表示波导模式和有损材料相互作用的互作用因子。入射太赫兹波在双锥形长波导形成等离激元共振效应，进一步产生电场增强效应，增强了入射波和填充样品的相互作用，在共振频率点附近增强样品对入射波的吸收，作用后的太赫兹波从输出长波导射出被检测。
进一步的，增加长波导周围有损耗材料的吸收系数的乘数，能够提高对被测材料损耗的敏感性。相互作用因子(Γ)是波导几何形状的函数，其公式表示为
其中，vS是电磁波在样品材料介质中的速度，ven是波导的能量速度，f是填充因子。因此，可以通过修改硅-苯并环丁烯-石英结构波导的横截面来增强相互作用因子。例如，将通道波导逐渐变细到更窄的宽度会导致在包层区域中的模式的倏逝部分的增加。此外，通过在通道波导的中间创建一个槽区域，就可以将太赫兹波限制在槽区域中，以便与样品材料产生更强的相互作用。此外，太赫兹波与样品材料之间的相互作用也可以通过增加相互作用的长度来增强，如图2所示，通过将波导制作成硅-苯并环丁烯-石英结构的弯曲波导结构，波浪线形式弯曲的弯曲长波导结构可以增加太赫兹波与样品材料的相互作用长度，从而可以进一步提高太赫兹吸收光谱强度。
在上述两类器件中，各部件的材料和参数可采用如下方式：
石英衬底1的材料为石英，相对介电常数4.45；苯丙环丁烯介质层2的材料为苯丙环丁烯，相对介电常数2.45。硅波导3和双锥形长波导的波导材料为高阻硅，相对介电常数为11.69，电阻率为5kΩ·cm，厚度均为80～120μm。太赫兹入射通道5和太赫兹出射通道6均为矩形，宽度为570～590um，长度为4～5mm；样品承载区7呈矩形，长度L为6～8mm，宽度w为3～6mm。另外，第一种双锥形长直波导4的宽度w0可以选择为170～190um，厚度为80～120um。第二种弯曲波导8的弯曲半径R可以选择为0.9～1.1mm，宽度w0可以选择为170～190um，厚度为80～120um。其余的部件尺寸参数并不会直接影响该器件的性能，因此可不做限定，根据实际进行调整即可。
由此可见，本发明中使用新型的硅-苯并环丁烯-石英结构的波导，基于倏逝场与波导周围样品材料的相互作用，捕获材料的吸收特征，增强太赫兹吸收光谱强度。
该器件可用于实现生物样品(包括溶液样品)的增强太赫兹吸收光谱测量，以多晶α-乳糖为例，利用图1或图2所示器件进行多晶α-乳糖太赫兹吸收光谱测量方法，具体如下：首先，将待测的多晶α-乳糖加入样品承载区7中，与所述双锥形长波导充分接触；然后，将太赫兹波经过透镜聚焦后通过所述双锥形长波导的输入端输入双锥形长波导中，在波导表面形成对应的倏逝波，在波导附近产生电磁增强效应从而增强入射太赫兹波和样品承载区7中的α-乳糖材料的相互作用，在表面等离激元共振频率点附近增强α-乳糖材料对入射波的吸收，作用后的太赫兹反射信号从双锥形长波导的输出端射出后被检测。
下面基于上述两种器件形式，分别通过实例说明其具体技术效果。
实施例1
本实施例中，提供了一种可以获取宽带增强太赫兹吸收光谱的硅-苯并环丁烯-石英器件结构。如图1所示，它包括石英衬底1、苯丙环丁烯介质层2、硅波导3、双锥形长直波导4、太赫兹入射通道5、太赫兹出射通道6以及样品承载区7，具体结构如前所述，不再赘述。各部件的材料参数如下：
石英衬底1的材料为石英，相对介电常数4.45；苯丙环丁烯介质层2的材料为苯丙环丁烯，相对介电常数2.45，其在1THz处的损耗角正切仅为7-9×10-3。硅波导3和双锥形长波导的波导材料为高阻硅，相对介电常数为11.69，电阻率为5kΩ·cm，厚度均为100μm。太赫兹入射通道5和太赫兹出射通道6均为矩形，宽度为580um，长度为5mm；样品承载区7呈矩形，长度为8mm，宽度为5mm双锥形长直波导4的宽度为180um，厚度为100um。
在样品承载区填入待测样品多晶α-乳糖来进行太赫兹吸收光谱测量，乳糖是一种重要的双糖，用于许多食品和药物领域。α-乳糖(乳糖异构物之一)在频率532GHz附近具有吸收特征峰，本实施例张工使用20mg的多晶α-乳糖样品材料进行测试，当然在实际应用中也可以通过减少样品承载区7的宽度w来减少所使用样品材料的量。测量时，先使用宽频太赫兹波经过透镜聚焦后向位于太赫兹入射通道5中的长波导4射入太赫兹波，入射太赫兹波通过双锥形长直波导4时，在波导表面形成对应的倏逝波，在波导附近产生电磁增强效应，能够增强入射太赫兹波和样品承载区7中的α-乳糖材料相互作用，在表面等离激元共振频率点附近增强材料对入射波的吸收，作用后的太赫兹反射信号经过双锥形长直波导4的输出端从太赫兹波出射通道6射出，进而被检测。当样品承载区7中填充有α-乳糖材料时，通过该波导的透射信号在532GHz左右会产生一个下降峰，从而产生如图3所示的吸收峰(长直波导曲线)。
实施例2
本实施例主要目的是为了验证太赫兹波与样品材料之间的相互作用还可以通过增加相互作用的长度来增强。本实施例中，如图2所示，将图1中器件结构的双锥形长直波导4替换成弯曲波导8，此时弯曲波导的弯曲半径为R＝1mm，弯曲波导的宽度与厚度与双锥形长直波导4一致。该器件中的其余结构以及部件的材料、参数均与实施例1相同。使用宽频太赫兹波经过透镜聚焦后向位于太赫兹入射通道5中的弯曲波导8射入太赫兹波，入射太赫兹波通过弯曲波导8时，在波导表面形成对应的倏逝波，在波导附近产生电磁增强效应，能够增强入射太赫兹波和样品承载区7中的α-乳糖材料相互作用，在表面等离激元共振频率点附近增强材料对入射波的吸收。相比于双锥形长直波导4，使用弯曲波导8在不增加结构尺寸的前提下，能够有效地增加太赫兹倏逝波与样品材料相互作用的长度，能够进一步增强太赫兹吸收光谱。作用后的太赫兹反射信号经过弯曲波导8从太赫兹波出射通道6射出被检测。当样品承载区7中填充有α-乳糖材料时，通过该波导的透射信号在532GHz左右会产生一个下降峰，从而产生如图3所示的吸收峰(弯曲波导曲线)。
通过图3可见，使用实施例1和实施例2中两种不同波导结构时候的太赫兹光谱吸收曲线存在明显差异。弯曲波导结构对应的太赫兹吸收光谱的吸收的峰值明显强于使用长直波导测量的峰值(相差5.6倍)，这主要是由于弯曲形波导中的相互作用长度较长所导致的。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种硅波导增强片上太赫兹振动吸收光谱的器件，其特征在于，器件由不同的功能层叠加而组成，从上至下依次是硅波导(3)、苯丙环丁烯介质层(2)和石英衬底(1)，所述硅波导(3)上开设有贯通至苯丙环丁烯介质层(2)表面的太赫兹入射通道(5)、太赫兹出射通道(6)以及样品承载区(7)；样品承载区(7)位于硅波导(3)的中心，用于承载待测样品，太赫兹入射通道(5)和太赫兹出射通道(6)分别连接在样品承载区(7)的两侧；双锥形长波导沿太赫兹入射通道(5)、样品承载区(7)、太赫兹出射通道(6)平铺于苯丙环丁烯介质层(2)表面，其位于太赫兹入射通道(5)侧的一端作为输入端，位于太赫兹出射通道(6)侧的一端作为输出端；太赫兹波从输入端输入，能够在波导表面产生倏逝波，增强样品承载区(7)中太赫兹波与待测样品的相互作用，作用后的太赫兹波信号从输出端输出。
2.如权利要求1所述的硅波导增强片上太赫兹振动吸收光谱的器件，其特征在于，所述双锥形长波导为双锥形长直波导(4)，沿太赫兹入射通道(5)、样品承载区(7)、太赫兹出射通道(6)直线铺设。
3.如权利要求1所述的硅波导增强片上太赫兹振动吸收光谱的器件，其特征在于，所述双锥形长波导为弯曲波导(8)，位于样品承载区(7)内的波导段呈波浪线形式弯曲。
4.如权利要求1～3任一所述的硅波导增强片上太赫兹振动吸收光谱的器件，其特征在于，所述石英衬底(1)的材料为石英，相对介电常数4.45。
5.如权利要求1～3任一所述的硅波导增强片上太赫兹振动吸收光谱的器件，其特征在于，所述苯丙环丁烯介质层(2)的材料为苯丙环丁烯，相对介电常数2.45。
6.如权利要求1～3任一所述的硅波导增强片上太赫兹振动吸收光谱的器件，其特征在于，所述硅波导(3)和所述双锥形长波导的波导材料为高阻硅，相对介电常数为11.69，电阻率为5kΩ·cm，厚度均为80～120μm。
7.如权利要求1～3任一所述的硅波导增强片上太赫兹振动吸收光谱的器件，其特征在于，所述太赫兹入射通道(5)和太赫兹出射通道(6)均为矩形，宽度为570～590um，长度为4～5mm；所述样品承载区(7)呈矩形，长度为6～8mm，宽度为3～6mm。
8.如权利要求1～3任一所述的硅波导增强片上太赫兹振动吸收光谱的器件，其特征在于，所述双锥形长直波导(4)的宽度为170～190um，厚度为80～120um。
9.如权利要求1～3任一所述的硅波导增强片上太赫兹振动吸收光谱的器件，其特征在于，所述弯曲波导(8)的弯曲半径为0.9～1.1mm。
10.一种利用如权利要求1～9任一所述器件的多晶α-乳糖太赫兹吸收光谱测量方法，其特征在于，首先，将待测的多晶α-乳糖加入样品承载区(7)中，与所述双锥形长波导充分接触；然后，将太赫兹波经过透镜聚焦后通过所述双锥形长波导的输入端输入双锥形长波导中，在波导表面形成对应的倏逝波，在波导附近产生电磁增强效应从而增强入射太赫兹波和样品承载区(7)中的α-乳糖材料的相互作用，在表面等离激元共振频率点附近增强α-乳糖材料对入射波的吸收，作用后的太赫兹反射信号从双锥形长波导的输出端射出后被检测。
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