CN115508307A - 一种太赫兹超表面传感器及太赫兹透射频谱确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太赫兹超表面传感器及太赫兹透射频谱确定方法。在太赫兹超表面中引入光电材料结构,使超表面具备光调功能,提高数据传感的精确度。通过控制泵浦光的有无或者改变太赫兹‑泵浦迟延时间,得到超表面两条不同的透射曲线,而后将两条曲线进行相除自校准处理,得到归一化太赫兹透射频谱。通过设计太赫兹光控超表面,可以将传统传感器中的校准误差完全清除。
Description
技术领域
本发明涉及传感器设计领域,特别是涉及一种太赫兹超表面传感器及太赫兹透射频谱确定方法。
背景技术
实时感知和监测人体器官的健康状况对于拓展生理和病理机理学研究至关重要。生物传感器架起了临床医生和病患之间的桥梁,通过持续跟踪和观测医学诊断信息,以便支持健康诊断和临床决策。太赫兹处于微波与红外频率之间,兼具能量低、分辨率高、穿透性好等特点,是一种适合于生物研究的先进技术。因此推动太赫兹传感器的发展具有重要意义,可以解决传统生物方法中步骤繁琐、效率低下、时间冗长等一系列缺点。
现有技术的缺陷和不足:
1.基于金属结构中的等离子体谐振和介质结构中的Mie式谐振,一系列高品质因子超表面结构共同推动生物传感器朝着实用化方向发展。但考虑到大多超表面结构缺乏动态材料以及结构调控设计,器件往往工作在固定的频率或模式下,因此大大阻碍了太赫兹生物传感器的实用性以及灵活性。
2.此外,目前已报道的生物传感器仅仅关注频率以及幅值变化信息,而忽视了检测电磁波传输的相位数据,这毫无疑问将会影响关键生物信息的进一步获取。归根到底是传感精度不够造成的。
3.更为重要的是,保证传感性能的准确性和鲁棒性是开发太赫兹实用型生物传感器的基础,这就要求尽可能完美地消除测量误差和提高信噪比。然而,目前生物传感器的信息提取通常需要经过一系列复杂且耗时的归一化校准环节来进行,这不可避免地将会引入额外的测量误差,极有可能消除生物样品间微小的个体差异。
发明内容
本发明的目的是提供一种太赫兹超表面传感器及太赫兹透射频谱确定方法,能够提高传感数据的精确度,降低测量误差。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
一种太赫兹超表面传感器包括:衬底结构、金属结构和光电材料结构,所述金属结构设置在所述衬底结构上,所述光电材料结构与所述金属结构接触。
可选地,所述光电材料结构与所述金属结构接触的方式包括:所述光电材料结构设置在所述金属结构上。
可选地,所述光电材料结构与所述金属结构接触的方式包括:所述光电材料结构嵌入到所述金属结构中。
可选地,所述蓝宝石衬底采用蓝宝石衬底。
可选地,所述金属结构包括金、铂金和铝。
可选地,所述光电材料结构包括单晶硅、锗、石墨烯和过硫化物。
可选地,所述光电材料结构的厚度为600nm。
一种太赫兹透射频谱确定方法包括:
获取无光作用下太赫兹超表面传感器的透/反射谱线,作为基准线;
对所述太赫兹超表面传感器发射泵浦光,得到在泵浦光作用下太赫兹超表面传感器的透/反射谱线,作为被校准线;
根据所述基准线对所述被校准线进行校准处理,得到归一化太赫兹透射频谱。
可选地,所述对所述太赫兹超表面传感器发射泵浦光,得到在泵浦光作用下太赫兹超表面传感器的透/反射谱线,具体包括:
采用太赫兹时域泵浦测试系统对所述太赫兹超表面传感器发射泵浦光,得到在泵浦光作用下太赫兹超表面传感器的透/反射谱线。
可选地,所述根据所述基准线对所述被校准线进行校准处理,得到归一化太赫兹透射频谱,具体包括:
根据所述基准线对所述被校准线进行相位消除自校准处理,得到归一化太赫兹透射频谱。
根据本发明提供的具体实施例,本发明公开了以下技术效果:
本发明在太赫兹超表面中引入光电材料结构,使超表面具备光调功能,能够提高数据传感的精确度。通过控制泵浦光的有无或者改变太赫兹-泵浦迟延时间,得到超表面两条不同的透射曲线。而后将两条曲线进行相除自校准处理,得到归一化太赫兹透射频谱。通过设计太赫兹光控超表面,可以将传统传感器中的校准误差完全清除。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为太赫兹超表面传感器组成结构示意图;
图2为一种具体的太赫兹超表面传感器示意图;
图3为基于自校准方法处理透射频谱随泵浦光的变化规律示意图;
图4为基于自校准方法处理透射频谱随太赫兹-泵浦光迟延时间的变化规律示意图;
图5为改变太赫兹源功率,测试得到有无光激励超表面的透射时域与频域信号示意图;
图6为自校准太赫兹传感器监测细胞浓度变化示意图;
图7为一种太赫兹透射频谱确定方法流程图一;
图8为一种太赫兹透射频谱确定方法流程图二。
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。
本发明的目的是提供一种太赫兹超表面传感器及太赫兹透射频谱确定方法,能够提高传感数据的精确度,降低测量误差。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为太赫兹超表面传感器组成结构示意图,如图1所示,一种太赫兹超表面传感器包括:衬底结构1、金属结构2和光电材料结构3,所述金属结构2设置在所述衬底结构1上,所述光电材料结构3与所述金属结构2接触,具体的接触方式不唯一,例如:所述光电材料结构3可以设置在所述金属结构2上;所述光电材料结构3嵌入到所述金属结构2中。
所述蓝宝石衬底采用蓝宝石衬底。
所述金属结构2包括金、铂金和铝等高电导材料。
所述光电材料结构3包括单晶硅、锗、石墨烯和过硫化物。所述光电材料结构3的厚度为600nm。
图2为一种具体的太赫兹超表面传感器示意图,其中,4为蓝宝石衬底,5为600nm厚外延单晶硅,6为金属结构。具体尺寸:Px=56μm;Py=80μm;L=34.5μm;a=7μm;w=5.6μm;d=15.8μm;b=16μm;v=26μm。
图3为基于自校准方法处理透射频谱随泵浦光的变化规律示意图,具体地,图3a与图3d为实测超表面在不同泵浦光激励下原始傅里叶频域信号。将无光激励的透射谱线设置为校准谱线,可以得到透射谱线的归一化形式,见图3b与图3e。图3c与图3f为仿真得到采用自校准方法的归一化透射谱线,与实测数据很好的吻合。
图4为基于自校准方法处理透射频谱随太赫兹-泵浦光迟延时间的变化规律示意图,具体地,图4a与4b为改变太赫兹-泵浦光迟延时间,太赫兹透射幅值与相位的超快相应,表明谱线的打开过程。图4a与4b为改变太赫兹-泵浦光迟延时间,太赫兹透射幅值与相位的超快相应,表明谱线的关闭过程。
图5为改变太赫兹源功率,测试得到有无光激励超表面的透射时域与频域信号示意图。图6为自校准太赫兹传感器监测细胞浓度变化示意图。将其分别进行相除自校准处理,得到图6a的归一化频谱。4条谱线几乎完全一样,意味着该方法设计的高准确性。图6b与图6c表明随着在超表面上种植细胞浓度的变化,透射幅值与相位的具体变化情况。将图6b与图6c的谐振频率以及1.11THz相位随细胞密度变化规律提取得到图6d、6e和6f的具体数值,显示该太赫兹传感器的实际生物监测能力。
图7为一种太赫兹透射频谱确定方法流程图一,如图7所示,本发明提供的一种太赫兹透射频谱确定方法包括:
步骤101:获取无光作用下太赫兹超表面传感器的透/反射谱线,作为基准线;
步骤102:对所述太赫兹超表面传感器发射泵浦光,得到在泵浦光作用下太赫兹超表面传感器的透/反射谱线,作为被校准线,具体包括:
采用太赫兹时域泵浦测试系统对所述太赫兹超表面传感器发射泵浦光,得到在泵浦光作用下太赫兹超表面传感器的透/反射谱线。
步骤103:根据所述基准线对所述被校准线进行校准处理,得到归一化太赫兹透射频谱,具体包括:
根据所述基准线对所述被校准线进行相位消除自校准处理,得到归一化太赫兹透射频谱。通过将光场调制下的相位谱线减去无光作用下的谱线就可以校准,不需要引入额外的衬底件。
图8为一种太赫兹透射频谱确定方法流程图一,如图8所示,本发明提供的一种太赫兹透射频谱确定方法包括:
步骤201:在第一特定时刻对太赫兹超表面传感器发射泵浦光,得到泵浦光作用下太赫兹超表面传感器的第一条透/反射谱线,作为基准线;
步骤202:在第二特定时刻对太赫兹超表面传感器发射泵浦光,得到泵浦光作用下太赫兹超表面传感器的第二条透/反射谱线,作为被校准线;
步骤201和步骤202均采用太赫兹时域泵浦测试系统对所述太赫兹超表面传感器发射泵浦光。所述第一特定时刻和所述第二特定时刻的时间不同。
步骤203:根据所述基准线对所述被校准线进行校准处理,得到归一化太赫兹透射频谱。
通过在太赫兹超表面传感器外加光泵浦激励的方式,实现了工作模式和工作频率动态可调,改善了传统器件单一工作模式和工作频率的限制。太赫兹超表面传感器的太赫兹超表面可以通过自校准超表面在不同泵浦光或者不同太赫兹-泵浦迟延时间下的两条曲线,可以生成相位信息,有利于进一步探索生物个体间的差异性。本发明的太赫兹传感器,采用自校准的设计理念,完全规避了传统信息提取采用的校准环节中环境噪声误差的影响,保证了传感精度。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种太赫兹超表面传感器,其特征在于,包括:衬底结构、金属结构和光电材料结构,所述金属结构设置在所述衬底结构上,所述光电材料结构与所述金属结构接触。
2.根据权利要求1所述的太赫兹超表面传感器,其特征在于,所述光电材料结构与所述金属结构接触的方式包括:所述光电材料结构设置在所述金属结构上。
3.根据权利要求1所述的太赫兹超表面传感器,其特征在于,所述光电材料结构与所述金属结构接触的方式包括:所述光电材料结构嵌入到所述金属结构中。
4.根据权利要求1所述的太赫兹超表面传感器,其特征在于,所述蓝宝石衬底采用蓝宝石衬底。
5.根据权利要求1所述的太赫兹超表面传感器,其特征在于,所述金属结构包括金、铂金和铝。
6.根据权利要求1所述的太赫兹超表面传感器,其特征在于,所述光电材料结构包括单晶硅、锗、石墨烯和过硫化物。
7.根据权利要求1所述的太赫兹超表面传感器,其特征在于,所述光电材料结构的厚度为600nm。
8.一种基于权利要求1-7任意一项所述的太赫兹超表面传感器的太赫兹透射频谱确定方法,其特征在于,包括:
获取无光作用下太赫兹超表面传感器的透/反射谱线,作为基准线;
对所述太赫兹超表面传感器发射泵浦光,得到在泵浦光作用下太赫兹超表面传感器的透/反射谱线,作为被校准线;
根据所述基准线对所述被校准线进行校准处理,得到归一化太赫兹透射频谱。
9.根据权利要求7所述的太赫兹透射频谱确定方法,其特征在于,所述对所述太赫兹超表面传感器发射泵浦光,得到在泵浦光作用下太赫兹超表面传感器的透/反射谱线,具体包括:
采用太赫兹时域泵浦测试系统对所述太赫兹超表面传感器发射泵浦光,得到在泵浦光作用下太赫兹超表面传感器的透/反射谱线。
10.根据权利要求7所述的太赫兹透射频谱确定方法,其特征在于,所述根据所述基准线对所述被校准线进行校准处理,得到归一化太赫兹透射频谱,具体包括:
根据所述基准线对所述被校准线进行相位消除自校准处理,得到归一化太赫兹透射频谱。
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