CN115377692A - 一种场增强的高灵敏度多带太赫兹检测器 - Google Patents

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CN115377692A CN202210795800.1A CN202210795800A CN115377692A CN 115377692 A CN115377692 A CN 115377692A CN 202210795800 A CN202210795800 A CN 202210795800A CN 115377692 A CN115377692 A CN 115377692A
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裴占武
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邹丽霞
李源周
陈忠
蔡锦云
王曙光
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Abstract

本发明公开了一种场增强的高灵敏度多带太赫兹检测器，其特征在于，包括超材料夹层吸收器，所述由顶层金属结构(SRR)、中间介电层、底层金属层以及基底组成，结构的几何参数为：l1＝60um，l2＝80um，l3＝100um，s1＝20um，s2＝25um，w1＝6um，w2＝4um，w3＝2um，P＝120um；金属部分均使用铝，电导率为3.56*10^7S/m，厚度均为h＝200nm，介电层使用聚乙烯，介电常数为2.1+j0.01，厚度为t＝10um。本发明基于太赫兹传感器的超材料吸收体可以作为RI传感器，通过太赫兹传感器的电场分布和表面电流分布，分析了太赫兹传感器谐振峰的产生和变化，同样，还分析了覆盖样品厚度对太赫兹传感器的谐振频移和反射系数的影响，根据上述变化和样品量的变化，选择样品的最终厚度为6μm，通过多方面数据的检测，使得装置可以得出最符合要求的传感器。

Description

一种场增强的高灵敏度多带太赫兹检测器
技术领域
本发明涉及太赫兹检测器技术领域，具体为一种场增强的高灵敏度多带 太赫兹检测器。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1THz-10THz之间的电磁波，其特殊位置使其具有 独特的性质，如低能性、高透性、指纹谱特性等，广泛应用于通信、爆炸物 检测、成像、生物信息提取以及医学诊断等领域，超材料作为新型的亚波长 人工复合材料，具有自然材料无法实现的特殊性质，如负折射率，负介电常 数等，因此，超材料有着广泛的应用，如隐形、生物传感、吸波材料、天线 等，近年来，超材料吸收器逐渐在太赫兹传感领域得到应用，2015年，Singh 等人采用设计了顶层为十字形金属微结构的超材料吸收器，Q和FOM值分别为 11.6和2.3，Wang所在课题组设计了两款双波段超材料吸收器和一款四波段 超材料吸收器，谐振峰都达到近乎完美的吸收，2016年，Liu等将超材料吸 收器用于废油和食用油的鉴别，检测废油时传感器频率偏移量达到130GHz， 2017年，Lan等提出了极化不敏感的超灵敏双波段太赫兹光谱传感器，在 1.04THz和0.506THz处归一化灵敏度分别为0.638/RIU和0.582/RIU，Wang 等提出了一种超窄太赫兹完美吸波器，实现了带宽为0.0200THz、吸收率为98.86％的共振吸收峰，在一定介质层厚度下可以得到带宽仅为0.0067THz的 共振峰，高灵敏度(2.58THz/RIU)和同时的超窄带宽使其具有极高的 FOM(385.07)，是极有前途的太赫兹探测和传感光器件，2018年，Tan等人提 出了一种基于三维太赫兹超材料吸收器的超灵敏传感器，质量因数高达 60.09，最大的折射率灵敏度为34.40％RIU-1，2019年，Saadeldin等提出了 一种Q值为22.05、灵敏度为300GHz/RIU的太赫兹超材料吸收器。
现有的赫兹检测器存在的缺陷是：
现有的检测器无法准确的确认所选用的材料是否能够达到最精准的灵敏 度，装置的灵敏度需要进行试验对比。
发明内容
本发明的目的在于提供一种场增强的高灵敏度多带太赫兹检测器，以解 决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种场增强的高灵敏度多 带太赫兹检测器，包括超材料夹层吸收器，所述由顶层金属结构(SRR)、中 间介电层、底层金属层以及基底组成，结构的几何参数为：l1＝60um，l2＝80um， l3＝100um，s1＝20um，s2＝25um，w1＝6um，w2＝4um，w3＝2um，P＝120um；
金属部分均使用铝，电导率为3.56*10^7S/m，厚度均为h＝200nm，介电 层使用聚乙烯，介电常数为2.1+j0.01，厚度为t＝10um，使用高阻硅作为基 底，厚度为500um；
使用CSTMICROWAVESTUDIO2018进行数值建模仿真，在x-y平面设置周期 边界条件，在Z平面设置开放边界条件，电磁波沿y轴偏振，沿z轴从顶层 入射。
优选的，所述超材料夹层吸收器与CST微波工作室进行数值建模和模拟； X-Y平面的周期边界条件保持不变，而z平面的周期边界条件保持为开边界； 沿y轴和z轴，电磁波分别从顶层偏振和入射；在模拟中，以高斯脉冲作为 激发源沿z轴垂直辐照MMA的单胞结构；在z方向上，采用具有吸收边界条 件的理想匹配层模拟无限周期阵列结构；入射太赫兹波是激发与Floquet端 口模式设置沿z轴；此外，在x轴和y轴方向上，模拟设置了周期性的边界 条件来复制微带线金属结构的无限阵列；利用Floquet口模式和吸收周期性 边界条件，对太赫兹传感器超材料基吸收体进行了数值模拟。
优选的，所述超材料吸收器在fa＝0.871THz、fb＝1.075THz、fc＝1.397THz 处产生了三个谐振峰，根据吸收系数的计算公式；
A＝1-R-T(1)；
其中R为反射系数，T为透射系数；在一定的频率范围内，由于超材料 吸收体的底层金属层厚度为200nm，大于金属表皮层厚度，因此没有观察到 透射现象(S21＝0)；超材料吸收器不是完全对称的，在TE的极化作用下不 会发生任何现象，上述表达式得到的TM极化下的反射谱如图二所示，在 0.871太赫兹、1.075太赫兹和1.397频率下，最大吸收率分别为96％、99％ 和95％；为了更好地反映传感器的共振特性，需要解释q＝f0/FWHM(f0是共 振吸收的中心频率，半峰全宽，FWHM)；通过计算，传感器在0.871、1.075 和1.397太赫兹处的q值分别为29、35和46；此外，还分析了模式a、模 式b和模式c的高吸收机理，当设计的太赫兹传感器超材料吸波材料的相对 阻抗z与自由空间材料相似时，入射的太赫兹波能被近乎完美的吸收材料吸 收，并得到对太赫兹电场最强的局部增强效应；相对阻抗z可以表示如下；
Figure BDA0003731876380000031
其中z是相对阻抗；推导出z最初在空间阻抗Z0＝1附近，然后在各共 振吸收模附近发生异化；在模式a、模式b和模式c附近，得到了相对阻抗 的实部和虚部图形，用Eqn有效地验证了上述猜想；(2).结果如图2、3、4 和5所示，其中相对阻抗的实部和虚部分分别表示为黑色实线和灰色实线， 在上述三种谐振模式附近，太赫兹传感器异向介质吸收体的相对阻抗经 历了一个从/2、3、4和5到各谐振吸收模附近的自由空间阻抗逐渐接近， 然后逐渐从自由空间阻抗移开的过程。
优选的，所述检测器的共振吸收原理，图6研究了在垂直入射TM极化下 的电磁波在每个共振频率上的表面电流和太赫兹电场的分布；图6显示了太 赫兹传感器超材料吸收体的表面电流和太赫兹电场在各个共振频率的分布； 图6(a)、(b)和(c)分别表示了当fa＝0.871THz、fb＝1.075THz和fc＝1.397THz 时，局部太赫兹电场实部的绝对值分布和表面电流分布，图6所示的每个单 谐振峰主要是由相应金属带的偶极谐振引起的，其中，fb处的电场相对较强， fc处相对较弱，如图2所示，其吸收率在fb处最高，fc处最低，因此，加 入更多不同长度的金属条可以获得更多的共振峰。
优选的，所述超材料吸收器的金属结构参数对三个窄带共振峰性能的影 响，计算了三种金属带的长度l1、l2和l3，分别为20μmー120μm，一次步 长为20μm，如图7(a)-(c)所示，计算了三种金属带的宽度w1、w2和w3， 分别为2μmー10μm，一次步长为2μm，如图7(d)-(f)所示，图7中(a)-(c) 金属长度分别为l1、l2和l3；(d)-(f)金属宽度分别为w1、w2和w3；
图7(a)表明，共振模a和模b的频率分别从0.841和0.877太赫兹移动 到1.078和1.062太赫兹，吸收率分别从60％和61％明显提高到98％和98％； 模式c的共振频率约为1.361THz，当l1从20μm变为120μm，步长为20μm 时，吸收率仅在l1＝60μm处达到98％；图7(b)表明，共振模a和共振模c 的频率分别从0.848和0.877太赫兹移动到1.316和1.361太赫兹，吸收率 分别从70％和98％明显提高到58％和98％；模式b的共振频率约为1.062THz，在12＝80μm时吸收率达到98％；图7(c)表明，共振模b和模c的频率分别 从1.044和1.062太赫兹移动到1.413和1.361太赫兹，吸收率分别从62％ 和63％明显提高到98％和98％；模式a的共振频率为0.877THz，在13＝100μm 时吸收达到98％；
在图7(d)中，当w1从2μm增加到10μm，步长为2μm时，观察到在 模式a和模式b中w1＝8μm的最大吸收率约为98.8％，而模式c在模式w1＝4 μm时的最大吸收率约为99％；模式a和模式b几乎没有频移，而模式c明显 有红移；
如图7(e)所示，在模式a、b和c中观察到的最大吸收率约为98％，模 式a、b和c是红移的；在图7(f)中，模a和模b的最大吸收率约为98％， 模c的近乎完美吸收率达到99％，模a的共振峰频率发生了红移，模b和模c 的共振峰频率发生了明显的红移；
图8(a)表明，随着金属间距s1的增加，a和b模的共振峰频率发生不 同程度的蓝移，而c模的共振峰频率发生红移，模式a和模式b的共振吸收 呈下降趋势，模式c的共振吸收呈先上升后下降趋势，调整后的距离s2的结 果如图8(b)所示；一般情况下，三种共振模式受距离s2的影响最小，共振 峰的频率和吸收在10ー30微米的范围内变化不大，步长为5微米，如图8(b) 所示。
优选的，所述超材料吸收体的RIn被认为是直接反映传输特性的一个重 要因素；模拟了吸收体表面的反射光谱，表面覆盖着不同厚度的折射率样品； 部分曲线如图9(a)所示；当样品的厚度固定在6微米，吸收折射率在0.2步 内从1-2变化时，吸收体的共振峰发生红移；因此，吸收体移动到低频，太 赫兹传感器超材料基吸收体的反射系数逐渐增加；这种趋势背后的原因是样 品折射率的变化，这种变化覆盖了太赫兹传感器超材料吸收体的表面，导致 周围的电介质环境发生变化，从而改变了吸收体的光谱；分析了太赫兹传感 器超材料吸收体的谐振频率漂移与样品折射率的关系，计算了样品的折射率 灵敏度s＝δf/δn；如图9(b)所示，传感器的灵敏度为Sa＝131GHz/RIU， Sb＝150GHz/RIU，Sc＝208GHz/RIU；
样品的厚度变化对超材料吸收器反射系数以及谐振频率的影响，如图10 所示，样品折射率不变，样品厚度在0-10um范围内以2的步长变化；当样品 厚度从0增加到2时，传感器的谐振频率均出现偏移，样品厚度继续增加时， 谐振频率无明显改变，因此样品厚度大于2um时对传感器谐振频率的频移量 无明显影响；另外，随着样品厚度的增加，吸收器fa处的反射系数在样品厚 度为4um时最小，fb处在6um时最小，fc处在10um时最小；综合考虑，选择样品厚度为6um；
介电层厚度对传感器谐振频率和吸收系数的影响；传感器介电层厚度从 5-20um以5um的步长变化，结果如图11所示；可以看到，传感器的谐振频率 随介电层厚度的增大而出现轻微移动；传感器的反射系数随介电层厚度的增 大而先减后增，在t＝10um时，对应的反射系数最小即吸收系数最大；因此介 电层厚度为10μm时传感器性能最优；
研究了金属结构的几何参数w、s对传感器谐振特性的影响，结果如图12 所示；如图12(a)和(b)所示为线宽w对传感器谐振特性的影响；当 s1＝s2＝10um，w1-w3各自以2um的步长从2um向10um变化时，传感器的谐振 频率无明显偏移，传感器的反射系数出现明显变化；其中w1＝6um，w2＝4um， w3＝2um时传感器谐振峰的反射系数最低；研究y方向上的间距s对传感器谐 振特性的影响；如图12(c)所示，当w1＝6um，w2＝4um，w3＝2um时，s1-s2 各自从10um到30um以5um步长变化，传感器的谐振频率无明显偏移，传感 器的反射系数出现明显变化；其中s1＝20um，s2＝25um时传感器谐振峰的反射 系数最低。
优选的，所述多波段太赫兹传感器的单元结构并不完全对称，只分析了 敏感TM模式下不同角度的入射特性，图13显示了TM偏振模式下多波段太赫 兹传感器入射角对传感器传感性；图13清楚地显示了入射角θ对吸收和共振 频率的影响，当入射角θ达到40°时，模a和模b的吸收大于95％，模c的 吸收大于92％，模a、模b和模c的频移不明显，结果表明，多波段太赫兹传 感器对大角度入射不敏感，因此，本文提出的多波段太赫兹传感器具有高吸收、高q值、高灵敏度和高多波段等特点，在生物医学和痕量检测方面具有 相当大的应用潜力。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明设计了一种三条不对称金属条的太赫兹检测器，用于太赫兹RI传 感器，利用CST微波工作室对我们提出的太赫兹传感器进行了数值模拟，太 赫兹传感器超材料吸收体在0.2ー1.5THz频段产生三种不同类型的共振峰， 吸收系数大于95％，最大q值为46，此外，还分析了基于太赫兹传感器的超 材料吸收体的传感能力，当太赫兹传感器表面覆盖一定厚度的样品，其RI值 变化为1.0-2.0时，最大RI灵敏度达到208ghz/RIU，因此，基于太赫兹传感 器的超材料吸收体可以作为RI传感器，通过太赫兹传感器的电场分布和表面 电流分布，分析了太赫兹传感器谐振峰的产生和变化，同样，还分析了覆盖 样品厚度对太赫兹传感器的谐振频移和反射系数的影响，根据上述变化和样 品量的变化，选择样品的最终厚度为6μm，通过多方面数据的检测，使得装 置可以得出最符合要求的传感器。
附图说明
图1为本发明的超材料吸收器(a)三维单元结构示意图；(b)超材料 吸收器结构(c)超材料单元结构示意图；
图2为本发明的(a)超材料吸收体的反射光谱；
图3为本发明的(b)-(d)在fa＝0.871THz时的相对阻抗图；
图4为本发明的(b)-(d)在fb＝1.075THz时的相对阻抗图；
图5为本发明的(b)-(d)在fc＝1.397THz时的相对阻抗图；
图6为本发明的a)、(b)和(c)的局部太赫兹电场实部的绝对值分布和 表面电流分布；
图7为本发明的金属参数对共振峰和吸收的影响图；
图8为本发明的金属间距对共振吸收的影响(a)金属间的距离s1；(b) 金属间的距离s2；
图9为本发明的(a)传感器检测一定厚度不同折射率样品的反射光谱(b) 传感器谐振频移随样品折射率变化图；
图10为本发明的样品的厚度变化对超材料吸收器反射系数以及谐振频率 的影响图；
图11为本发明的介电层厚度对传感器谐振频率和反射系数的影响；
图12为几何参数对传感器谐振特性的影响。
图13为入射角θ对吸收和共振频率的影响。
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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外” “前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位 置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化 描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的 方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、 “第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语 “安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以 是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械连接，也可 以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个 元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述 术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1、图2、图3和图4，本发明提供的一种实施例：一种场增强 的高灵敏度多带太赫兹检测器，
包括超材料夹层吸收器，所述由顶层金属结构(SRR)、中间介电层、底 层金属层以及基底组成，结构的几何参数为：l1＝60um，l2＝80um，l3＝100um， s1＝20um，s2＝25um，w1＝6um，w2＝4um，w3＝2um，P＝120um；
金属部分均使用铝，电导率为3.56*10^7S/m，厚度均为h＝200nm，介电 层使用聚乙烯，介电常数为2.1+j0.01，厚度为t＝10um，使用高阻硅作为基 底，厚度为500um；
使用CSTMICROWAVESTUDIO2018进行数值建模仿真，在x-y平面设置周期 边界条件，在Z平面设置开放边界条件，电磁波沿y轴偏振，沿z轴从顶层 入射。
所述超材料夹层吸收器与CST微波工作室进行数值建模和模拟；X-Y平面 的周期边界条件保持不变，而z平面的周期边界条件保持为开边界；沿y轴 和z轴，电磁波分别从顶层偏振和入射；在模拟中，以高斯脉冲作为激发源 沿z轴垂直辐照MMA的单胞结构；在z方向上，采用具有吸收边界条件的理 想匹配层模拟无限周期阵列结构；入射太赫兹波是激发与Floquet端口模式 设置沿z轴；此外，在x轴和y轴方向上，模拟设置了周期性的边界条件来复制微带线金属结构的无限阵列；利用Floquet口模式和吸收周期性边界条 件，对太赫兹传感器超材料基吸收体进行了数值模拟。
所述超材料吸收器在fa＝0.871THz、fb＝1.075THz、fc＝1.397THz处产生 了三个谐振峰，根据吸收系数的计算公式；
A＝1-R-T(1)；
其中R为反射系数，T为透射系数；在一定的频率范围内，由于超材料 吸收体的底层金属层厚度为200nm，大于金属表皮层厚度，因此没有观察到 透射现象(S21＝0)；超材料吸收器不是完全对称的，在TE的极化作用下不 会发生任何现象，上述表达式得到的TM极化下的反射谱如图二所示，在 0.871太赫兹、1.075太赫兹和1.397频率下，最大吸收率分别为96％、99％ 和95％；为了更好地反映传感器的共振特性，需要解释q＝f0/FWHM(f0是共 振吸收的中心频率，半峰全宽，FWHM)；通过计算，传感器在0.871、1.075 和1.397太赫兹处的q值分别为29、35和46；此外，还分析了模式a、模 式b和模式c的高吸收机理，当设计的太赫兹传感器超材料吸波材料的相对 阻抗z与自由空间材料相似时，入射的太赫兹波能被近乎完美的吸收材料吸 收，并得到对太赫兹电场最强的局部增强效应；相对阻抗z可以表示如下；
Figure BDA0003731876380000101
其中z是相对阻抗；推导出z最初在空间阻抗Z0＝1附近，然后在各共 振吸收模附近发生异化；在模式a、模式b和模式c附近，得到了相对阻抗 的实部和虚部图形，用Eqn有效地验证了上述猜想；(2).结果如图2、3、4 和5所示，其中相对阻抗的实部和虚部分分别表示为黑色实线和灰色实线， 在上述三种谐振模式附近，太赫兹传感器异向介质吸收体的相对阻抗经 历了一个从/2、3、4和5到各谐振吸收模附近的自由空间阻抗逐渐接近， 然后逐渐从自由空间阻抗移开的过程。
所述检测器的共振吸收原理，图6研究了在垂直入射TM极化下的电磁波 在每个共振频率上的表面电流和太赫兹电场的分布；图6显示了太赫兹传感 器超材料吸收体的表面电流和太赫兹电场在各个共振频率的分布；图6(a)、 (b)和(c)分别表示了当fa＝0.871THz、fb＝1.075THz和fc＝1.397THz时， 局部太赫兹电场实部的绝对值分布和表面电流分布，图6所示的每个单谐振 峰主要是由相应金属带的偶极谐振引起的，其中，fb处的电场相对较强，fc 处相对较弱，如图2所示，其吸收率在fb处最高，fc处最低，因此，加入更 多不同长度的金属条可以获得更多的共振峰。
所述超材料吸收器的金属结构参数对三个窄带共振峰性能的影响，计算 了三种金属带的长度l1、l2和l3，分别为20μmー120μm，一次步长为20 μm，如图7(a)-(c)所示，计算了三种金属带的宽度w1、w2和w3，分别为2 μmー10μm，一次步长为2μm，如图7(d)-(f)所示，图7中(a)-(c)金属 长度分别为l1、l2和l3；(d)-(f)金属宽度分别为w1、w2和w3；
图7(a)表明，共振模a和模b的频率分别从0.841和0.877太赫兹移动 到1.078和1.062太赫兹，吸收率分别从60％和61％明显提高到98％和98％； 模式c的共振频率约为1.361THz，当l1从20μm变为120μm，步长为20μm 时，吸收率仅在l1＝60μm处达到98％；图7(b)表明，共振模a和共振模c 的频率分别从0.848和0.877太赫兹移动到1.316和1.361太赫兹，吸收率 分别从70％和98％明显提高到58％和98％；模式b的共振频率约为1.062THz，在12＝80μm时吸收率达到98％；图7(c)表明，共振模b和模c的频率分别 从1.044和1.062太赫兹移动到1.413和1.361太赫兹，吸收率分别从62％ 和63％明显提高到98％和98％；模式a的共振频率为0.877THz，在13＝100μm 时吸收达到98％；
在图7(d)中，当w1从2μm增加到10μm，步长为2μm时，观察到在 模式a和模式b中w1＝8μm的最大吸收率约为98.8％，而模式c在模式w1＝4 μm时的最大吸收率约为99％；模式a和模式b几乎没有频移，而模式c明显 有红移；
如图7(e)所示，在模式a、b和c中观察到的最大吸收率约为98％，模 式a、b和c是红移的；在图7(f)中，模a和模b的最大吸收率约为98％， 模c的近乎完美吸收率达到99％，模a的共振峰频率发生了红移，模b和模c 的共振峰频率发生了明显的红移；
图8(a)表明，随着金属间距s1的增加，a和b模的共振峰频率发生不 同程度的蓝移，而c模的共振峰频率发生红移，模式a和模式b的共振吸收 呈下降趋势，模式c的共振吸收呈先上升后下降趋势，调整后的距离s2的结 果如图8(b)所示；一般情况下，三种共振模式受距离s2的影响最小，共振 峰的频率和吸收在10ー30微米的范围内变化不大，步长为5微米，如图8(b) 所示。
所述超材料吸收体的RIn被认为是直接反映传输特性的一个重要因素； 模拟了吸收体表面的反射光谱，表面覆盖着不同厚度的折射率样品；部分曲 线如图9(a)所示；当样品的厚度固定在6微米，吸收折射率在0.2步内从1-2变化时，吸收体的共振峰发生红移；因此，吸收体移动到低频，太赫兹传 感器超材料基吸收体的反射系数逐渐增加；这种趋势背后的原因是样品折射 率的变化，这种变化覆盖了太赫兹传感器超材料吸收体的表面，导致周围的 电介质环境发生变化，从而改变了吸收体的光谱；分析了太赫兹传感器超材 料吸收体的谐振频率漂移与样品折射率的关系，计算了样品的折射率灵敏度 s＝δf/δn；如图9(b)所示，传感器的灵敏度为Sa＝131GHz/RIU， Sb＝150GHz/RIU，Sc＝208GHz/RIU；
样品的厚度变化对超材料吸收器反射系数以及谐振频率的影响，如图10 所示，样品折射率不变，样品厚度在0-10um范围内以2的步长变化；当样品 厚度从0增加到2时，传感器的谐振频率均出现偏移，样品厚度继续增加时， 谐振频率无明显改变，因此样品厚度大于2um时对传感器谐振频率的频移量 无明显影响；另外，随着样品厚度的增加，吸收器fa处的反射系数在样品厚 度为4um时最小，fb处在6um时最小，fc处在10um时最小；综合考虑，选择样品厚度为6um；
介电层厚度对传感器谐振频率和吸收系数的影响；传感器介电层厚度从 5-20um以5um的步长变化，结果如图11所示；可以看到，传感器的谐振频率 随介电层厚度的增大而出现轻微移动；传感器的反射系数随介电层厚度的增 大而先减后增，在t＝10um时，对应的反射系数最小即吸收系数最大；因此介 电层厚度为10μm时传感器性能最优；
研究了金属结构的几何参数w、s对传感器谐振特性的影响，结果如图12 所示；如图12(a)和(b)所示为线宽w对传感器谐振特性的影响；当 s1＝s2＝10um，w1-w3各自以2um的步长从2um向10um变化时，传感器的谐振 频率无明显偏移，传感器的反射系数出现明显变化；其中w1＝6um，w2＝4um， w3＝2um时传感器谐振峰的反射系数最低；研究y方向上的间距s对传感器谐 振特性的影响；如图12(c)所示，当w1＝6um，w2＝4um，w3＝2um时，s1-s2 各自从10um到30um以5um步长变化，传感器的谐振频率无明显偏移，传感 器的反射系数出现明显变化；其中s1＝20um，s2＝25um时传感器谐振峰的反射 系数最低。
所述多波段太赫兹传感器的单元结构并不完全对称，只分析了敏感TM模 式下不同角度的入射特性，图13显示了TM偏振模式下多波段太赫兹传感器 入射角对传感器传感性；图13清楚地显示了入射角θ对吸收和共振频率的影 响，当入射角θ达到40°时，模a和模b的吸收大于95％，模c的吸收大于 92％，模a、模b和模c的频移不明显，结果表明，多波段太赫兹传感器对大 角度入射不敏感，因此，本文提出的多波段太赫兹传感器具有高吸收、高q值、高灵敏度和高多波段等特点，在生物医学和痕量检测方面具有相当大的 应用潜力。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节， 而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实 现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且 是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨 在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。 不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (7)

1.一种场增强的高灵敏度多带太赫兹检测器，其特征在于，包括超材料夹层吸收器，所述由顶层金属结构(SRR)、中间介电层、底层金属层以及基底组成，结构的几何参数为：l1＝60um，l2＝80um，l3＝100um，s1＝20um，s2＝25um，w1＝6um，w2＝4um，w3＝2um，P＝120um；
金属部分均使用铝，电导率为3.56*10^7S/m，厚度均为h＝200nm，介电层使用聚乙烯，介电常数为2.1+j0.01，厚度为t＝10um，使用高阻硅作为基底，厚度为500um；
使用CSTMICROWAVESTUDIO2018进行数值建模仿真，在x-y平面设置周期边界条件，在Z平面设置开放边界条件，电磁波沿y轴偏振，沿z轴从顶层入射。
2.根据权利要求1所述的一种场增强的高灵敏度多带太赫兹检测器，其特征在于：所述超材料夹层吸收器与CST微波工作室进行数值建模和模拟；X-Y平面的周期边界条件保持不变，而z平面的周期边界条件保持为开边界；沿y轴和z轴，电磁波分别从顶层偏振和入射；在模拟中，以高斯脉冲作为激发源沿z轴垂直辐照MMA的单胞结构；在z方向上，采用具有吸收边界条件的理想匹配层模拟无限周期阵列结构；入射太赫兹波是激发与Floquet端口模式设置沿z轴；此外，在x轴和y轴方向上，模拟设置了周期性的边界条件来复制微带线金属结构的无限阵列；利用Floquet口模式和吸收周期性边界条件，对太赫兹传感器超材料基吸收体进行了数值模拟。
3.根据权利要求1所述的一种场增强的高灵敏度多带太赫兹检测器，其特征在于：所述超材料吸收器在fa＝0.871THz、fb＝1.075THz、fc＝1.397THz处产生了三个谐振峰，根据吸收系数的计算公式；
A＝1-R-T (1)；
其中R为反射系数，T为透射系数；在一定的频率范围内，由于超材料吸收体的底层金属层厚度为200nm，大于金属表皮层厚度，因此没有观察到透射现象(S21＝0)；超材料吸收器不是完全对称的，在TE的极化作用下不会发生任何现象，上述表达式得到的TM极化下的反射谱如图二所示，在0.871太赫兹、1.075太赫兹和1.397频率下，最大吸收率分别为96％、99％和95％；为了更好地反映传感器的共振特性，需要解释q＝f0/FWHM(f0是共振吸收的中心频率，半峰全宽，FWHM)；通过计算，传感器在0.871、1.075和1.397太赫兹处的q值分别为29、35和46；此外，还分析了模式a、模式b和模式c的高吸收机理，当设计的太赫兹传感器超材料吸波材料的相对阻抗z与自由空间材料相似时，入射的太赫兹波能被近乎完美的吸收材料吸收，并得到对太赫兹电场最强的局部增强效应；相对阻抗z可以表示如下；
Figure FDA0003731876370000021
其中z是相对阻抗；推导出z最初在空间阻抗Z0＝1附近，然后在各共振吸收模附近发生异化；在模式a、模式b和模式c附近，得到了相对阻抗的实部和虚部图形，用Eqn有效地验证了上述猜想；(2).结果如图2、3、4和5所示，其中相对阻抗的实部和虚部分分别表示为黑色实线和灰色实线，
在上述三种谐振模式附近，太赫兹传感器异向介质吸收体的相对阻抗经历了一个从/2、3、4和5到各谐振吸收模附近的自由空间阻抗逐渐接近，然后逐渐从自由空间阻抗移开的过程。
4.根据权利要求1所述的一种场增强的高灵敏度多带太赫兹检测器，其特征在于：所述检测器的共振吸收原理，图6研究了在垂直入射TM极化下的电磁波在每个共振频率上的表面电流和太赫兹电场的分布；图6显示了太赫兹传感器超材料吸收体的表面电流和太赫兹电场在各个共振频率的分布；图6(a)、(b)和(c)分别表示了当fa＝0.871THz、fb＝1.075THz和fc＝1.397THz时，局部太赫兹电场实部的绝对值分布和表面电流分布，图6所示的每个单谐振峰主要是由相应金属带的偶极谐振引起的，其中，fb处的电场相对较强，fc处相对较弱，如图2所示，其吸收率在fb处最高，fc处最低，因此，加入更多不同长度的金属条可以获得更多的共振峰。
5.根据权利要求1的一种场增强的高灵敏度多带太赫兹检测器，其特征在于：所述超材料吸收器的金属结构参数对三个窄带共振峰性能的影响，计算了三种金属带的长度l1、l2和l3，分别为20μmー120μm，一次步长为20μm，如图7(a)-(c)所示，计算了三种金属带的宽度w1、w2和w3，分别为2μmー10μm，一次步长为2μm，如图7(d)-(f)所示，图7中(a)-(c)金属长度分别为l1、l2和l3；(d)-(f)金属宽度分别为w1、w2和w3；
图7(a)表明，共振模a和模b的频率分别从0.841和0.877太赫兹移动到1.078和1.062太赫兹，吸收率分别从60％和61％明显提高到98％和98％；模式c的共振频率约为1.361THz，当l1从20μm变为120μm，步长为20μm时，吸收率仅在l1＝60μm处达到98％；图7(b)表明，共振模a和共振模c的频率分别从0.848和0.877太赫兹移动到1.316和1.361太赫兹，吸收率分别从70％和98％明显提高到58％和98％；模式b的共振频率约为1.062THz，在12＝80μm时吸收率达到98％；图7(c)表明，共振模b和模c的频率分别从1.044和1.062太赫兹移动到1.413和1.361太赫兹，吸收率分别从62％和63％明显提高到98％和98％；模式a的共振频率为0.877THz，在13＝100μm时吸收达到98％；
在图7(d)中，当w1从2μm增加到10μm，步长为2μm时，观察到在模式a和模式b中w1＝8μm的最大吸收率约为98.8％，而模式c在模式w1＝4μm时的最大吸收率约为99％；模式a和模式b几乎没有频移，而模式c明显有红移；
如图7(e)所示，在模式a、b和c中观察到的最大吸收率约为98％，模式a、b和c是红移的；在图7(f)中，模a和模b的最大吸收率约为98％，模c的近乎完美吸收率达到99％，模a的共振峰频率发生了红移，模b和模c的共振峰频率发生了明显的红移；
图8(a)表明，随着金属间距s1的增加，a和b模的共振峰频率发生不同程度的蓝移，而c模的共振峰频率发生红移，模式a和模式b的共振吸收呈下降趋势，模式c的共振吸收呈先上升后下降趋势，调整后的距离s2的结果如图8(b)所示；一般情况下，三种共振模式受距离s2的影响最小，共振峰的频率和吸收在10ー30微米的范围内变化不大，步长为5微米，如图8(b)所示。
6.根据权利要求1的一种场增强的高灵敏度多带太赫兹检测器，其特征在于：所述超材料吸收体的RIn被认为是直接反映传输特性的一个重要因素；模拟了吸收体表面的反射光谱，表面覆盖着不同厚度的折射率样品；部分曲线如图9(a)所示；当样品的厚度固定在6微米，吸收折射率在0.2步内从1-2变化时，吸收体的共振峰发生红移；因此，吸收体移动到低频，太赫兹传感器超材料基吸收体的反射系数逐渐增加；这种趋势背后的原因是样品折射率的变化，这种变化覆盖了太赫兹传感器超材料吸收体的表面，导致周围的电介质环境发生变化，从而改变了吸收体的光谱；分析了太赫兹传感器超材料吸收体的谐振频率漂移与样品折射率的关系，计算了样品的折射率灵敏度s＝δf/δn；如图9(b)所示，传感器的灵敏度为Sa＝131GHz/RIU，Sb＝150GHz/RIU，Sc＝208GHz/RIU；
样品的厚度变化对超材料吸收器反射系数以及谐振频率的影响，如图10所示，样品折射率不变，样品厚度在0-10um范围内以2的步长变化；当样品厚度从0增加到2时，传感器的谐振频率均出现偏移，样品厚度继续增加时，谐振频率无明显改变，因此样品厚度大于2um时对传感器谐振频率的频移量无明显影响；另外，随着样品厚度的增加，吸收器fa处的反射系数在样品厚度为4um时最小，fb处在6um时最小，fc处在10um时最小；综合考虑，选择样品厚度为6um；
介电层厚度对传感器谐振频率和吸收系数的影响；传感器介电层厚度从5-20um以5um的步长变化，结果如图11所示；可以看到，传感器的谐振频率随介电层厚度的增大而出现轻微移动；传感器的反射系数随介电层厚度的增大而先减后增，在t＝10um时，对应的反射系数最小即吸收系数最大；因此介电层厚度为10μm时传感器性能最优；
研究了金属结构的几何参数w、s对传感器谐振特性的影响，结果如图12所示；如图12(a)和(b)所示为线宽w对传感器谐振特性的影响；当s1＝s2＝10um，w1-w3各自以2um的步长从2um向10um变化时，传感器的谐振频率无明显偏移，传感器的反射系数出现明显变化；其中w1＝6um，w2＝4um，w3＝2um时传感器谐振峰的反射系数最低；研究y方向上的间距s对传感器谐振特性的影响；如图12(c)所示，当w1＝6um，w2＝4um，w3＝2um时，s1-s2各自从10um到30um以5um步长变化，传感器的谐振频率无明显偏移，传感器的反射系数出现明显变化；其中s1＝20um，s2＝25um时传感器谐振峰的反射系数最低。
7.根据权利要求1的一种场增强的高灵敏度多带太赫兹检测器，其特征在于：所述多波段太赫兹传感器的单元结构并不完全对称，只分析了敏感TM模式下不同角度的入射特性，图13显示了TM偏振模式下多波段太赫兹传感器入射角对传感器传感性；图13清楚地显示了入射角θ对吸收和共振频率的影响，当入射角θ达到40°时，模a和模b的吸收大于95％，模c的吸收大于92％，模a、模b和模c的频移不明显，结果表明，多波段太赫兹传感器对大角度入射不敏感，因此，本文提出的多波段太赫兹传感器具有高吸收、高q值、高灵敏度和高多波段等特点，在生物医学和痕量检测方面具有相当大的应用潜力。
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CN115872349A (zh) * 2023-03-03 2023-03-31 南京大学 一种太赫兹探测器芯片的三维封装结构

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