CN116223437A - 光控超高阶导模的太赫兹传感器、检测方法及光谱系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种光控超高阶导模的太赫兹传感器、检测方法及光谱系统，包括类金属层、金属层和介质层；类金属层的介电常数能够随光照强度变化而变化，从而达到光控效果，使太赫兹波更好的耦合进入介质层；金属层，用于反射太赫兹波；介质层，位于类金属层和金属层之间，用于填充待测样品。当高电阻率类金属层被光子能量高于其带隙能量的外部光激发时，类金属层的电导率随着光子产生的载流子增加而增加，从而激发类金属层显示出类金属性质，获得和金属类似的高灵敏特性，使得太赫兹波可以更好的耦合进入传感器中，同时还能够实现比谐振腔更好的局域特征，在对危险物质进行测量时更准确，无需探测人员近距离探测，测量更方便。
Description
技术领域
本申请涉及检测设备领域，特别是涉及一种光控超高阶导模的太赫兹传感器、检测方法及光谱系统。
背景技术
传感器可以将被测样品信息转换为与其成一定关系的电量输出或其他所需形式的信息输出。以超高阶导模传感器为例，超高阶导模一般存在于亚毫米尺度对称金属包覆波导之中。而对称金属包覆波导又称双面金属包覆波导，其结构由介质导波层上下镀两层金属薄膜组成。当上下金属层厚度达到几百纳米时，可认为电磁场无法穿透金属，此时，导波层中是振荡场，而上下包层中是倏逝场，如图1所示，其中，clading layer为金属包覆层，waveguide layer为波导层，substrate为基质。波导层是将光波限制在特定介质内部进行传输的导光通道，光在波导中的传播可以看作是光线在导光通道内发生全反射，以锯齿形沿z字形路径传播。超高阶导模传感器不需要棱镜和光栅等耦合器件，即可使光直接从空气入射于波导的上包层，当入射角满足一定条件时，可激发波导中传播常数的超高阶导模，超高阶导模的灵敏度远高于表面等离子共振传感器。然而在低频段(如太赫兹、毫米波等)，由于金属的趋肤深度相比光频段大大减小，导致在光频段几十纳米处(如30nm)，金属薄膜产生的耦合和隧穿效应在低频波段难以实现。到目前为止，还没有文献报道低频段超高阶导模的有效激发。
由于很多物质的分子对固定太赫兹波段存在吸收频率，因此利用太赫兹光谱或频谱可对物质种类和成分进行鉴别，可用于爆炸物、毒品及生化等危险物的检测。目前所使用的危险品检测方式通常是由探测人员穿戴防毒面具和防爆服近距离进行人工探测，这种方法一旦发生爆炸或有毒气体泄露会对探测人员的人身安全造成危害。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种光控超高阶导模的太赫兹传感器、检测方法及光谱系统，能够方便且准确的对危险物质进行检测。
第一方面，本申请提供了一种光控超高阶导模的太赫兹传感器，包括：
类金属层，所述类金属层的介电常数能够随光照强度变化而变化，从而达到光控效果，使太赫兹波更好的耦合进入介质层；
金属层，用于反射太赫兹波；
介质层，位于所述类金属层和金属层之间，用于填充待测样品。
在其中一个实施例中，所述类金属层、介质层和金属层相互粘接。
在其中一个实施例中，所述类金属层为太赫兹波可透过的衬底材料上镀硅层。
在其中一个实施例中，所述金属层为石英玻璃衬底上镀铝膜。
在其中一个实施例中，所述介质层为橡胶垫圈，所述橡胶垫圈的上下两侧分别与所述太赫兹波可透过的衬底材料和所述铝膜贴合。
在其中一个实施例中，所述石英玻璃上开设有注入孔，所述注入孔用于将待测样品导入橡胶垫圈的内圈。
在其中一个实施例中，所述硅层厚度大于400纳米。
在其中一个实施例中，所述铝膜厚度大于200纳米。
第二方面，本申请提供了一种太赫兹时域光谱系统，包括泵浦激光器、发射探头、接收探头及上述任一项所述的光控超高阶导模的太赫兹传感器；
所述泵浦激光器垂直入射指向所述光控超高阶导模的太赫兹传感器，所述发射探头以一入射角指向所述光控超高阶导模的太赫兹传感器上的激光作用的位置处，所述接收探头设置在对应于入射角的反射角位置。
第三方面，本申请提供了一种光控超高阶导模的太赫兹传感器的检测方法，所述方法包括：
启动太赫兹时域光谱系统，发射探头以设定入射角度将太赫兹波作用到光控超高阶导模的太赫兹传感器上；
启动泵浦激光器垂直入射指向所述光控超高阶导模的太赫兹传感器上的太赫兹波作用的位置上，通过调节泵浦激光的光照强度调节传感器的性能；
通过接收探头接收光控超高阶导模的太赫兹传感器反射的太赫兹波，并测得太赫兹波的频谱；
将待测样品注入介质层，并再次执行测得太赫兹波的频谱；
对两次测量得到的频谱进行比较，从而得到待测样品的透射频谱。
上述光控超高阶导模的太赫兹传感器、检测方法及光谱系统，当高电阻率类金属层被光子能量高于其带隙能量的外部光激发时，类金属层的电导率随着光子产生的载流子增加而增加，从而激发类金属层显示出类金属性质，获得和金属类似的高灵敏特性，使得太赫兹波可以更好的耦合进入传感器中，同时还能够实现比谐振腔更好的局域特征，在对危险物质进行测量时更准确，无需探测人员近距离探测，测量更方便。并且该传感器工作结构简单，不需要光刻等复杂工艺，在环境保护、食品安全和生物分子相互作用领域具有广泛的应用。
附图说明
图1为本申请的对称金属包覆波导原理图；
图2为本申请的光控超高阶导模的太赫兹传感器的结构示意图；
图3为本申请的太赫兹时域光谱系统的结构示意图；
图4为本申请的光控超高阶导模的太赫兹传感器的光控反射光谱图；
图5为本申请的不同入射角下的反射光谱图。
图中：110、硅层；120、太赫兹波可透过的衬底材料；130、橡胶垫圈；140、铝膜；150、石英玻璃；210、激光器；220、发射探头；230、接收探头。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“固定于”或“设置于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。本申请的说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”、“下”可以是第一特征直接和第二特征接触，或第一特征和第二特征间接地通过中间媒介接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
除非另有定义，本申请的说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本申请的说明书所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图2所示，在一个实施例中，一种光控超高阶导模的太赫兹传感器，包括类金属层、介质层和金属层；类金属层的介电常数能够随光照强度变化而变化，从而达到光控效果，使太赫兹波更好的耦合进入介质层；金属层用于反射太赫兹波；介质层位于类金属层和金属层之间，用于填充待测样品。
具体的，在使用时，将泵浦激光照射在该传感器上的太赫兹波射入位置，对该传感器反射的太赫兹波光谱或频谱进行测量，随后向介质层内注入待测样品，并从而再次对该传感器反射的太赫兹波光谱或频谱进行测量，最后比较两侧测量得到的太赫兹波光谱或频谱即可确定待测样品的种类和成分，其中，不同光照强度下反射光谱图如图4所示。
本实施例中对光频段的超高阶导模结构进行了改进，设计了一个在太赫兹波段能够激发超高阶导模的结构。由于上层薄金属层对太赫兹波超高阶导模激发的阻碍作用，本实施例将光频段上层的薄金属耦合层替换为硅薄膜层。未加光照条件下，硅材料在太赫兹波段为透明材料。当加泵浦光照射后，硅薄膜中自由载流子产生运动，这使得硅的介电系数发生了变化，产生类金属特性。这时调节光照强度，可使得硅薄膜的金属特性满足低频电磁波的耦合和隧穿效应，成功激发超高阶导模。
上述光控超高阶导模的太赫兹传感器，当高电阻率类金属层被光子能量高于其带隙能量的外部光激发时，类金属层的电导率随着光子产生的载流子增加而增加，从而激发类金属层显示出类金属性质，获得和金属类似的高灵敏特性，使得太赫兹波可以更好的耦合进入传感器中，同时还能够实现比谐振腔更好的局域特征，在对危险物质进行测量时更准确，无需探测人员近距离探测，测量更方便。并且该传感器工作结构简单，不需要光刻等复杂工艺，在环境保护、食品安全和生物分子相互作用领域具有广泛的应用。
该传感器使用时在波导中将会产生超高阶导模，超高阶导模对导波层的样品变化极为灵敏，在频域的灵敏度为0.1THz/RIU，随着样品层厚度增加，FOM值(匹配率)均能够得到升高。中间的导波层为毫米或厘米量级，随着光照强度增大可以容纳超高阶导模，制作简单且可供选择的模式也多，对于不同浓度样品检测效果更佳。并且该传感器结构不需要光刻，易于制作成本较小，且太赫兹耦合入波导能量可以随光控调节，也可实现复合功能(如高灵敏梳状滤波器等)。该超高阶导模太赫兹传感器检测所需的样品少，检测时间短，能实现快速、准确、少量实时的光谱检测。
在一个实施例中，类金属层、介质层和金属层相互粘接。
具体的，类金属层、介质层和金属层之间可通过聚乙烯双面胶进行粘接，以保证光控超高阶导模的太赫兹传感器的密闭性。
在一个实施例中，类金属层为太赫兹波可透过的衬底材料120上镀硅层110。
具体的，类金属层衬底可选用相对介电常数ε＝11.7、厚度大于300μm的Sapphire(蓝宝石)。硅层110的介电常数ε＝11.9、电阻率＞100Ω·cm、厚度大于400nm。Sapphire具有优异的光学性能、机械性能和化学稳定性。由于蓝宝石的强度高、硬度大、耐冲刷，对可见光以及太赫兹波不易吸收，所以经常被用来制作长Silicon(硅)的衬底材料，而不同强度光照可以改变Silicon的介电常数，从而激发出类金属性质，太赫兹波既可以更好的耦合进来，又可以实现比谐振(Fabry-Perot)腔更好的局域特性。
在一个实施例中，金属层为石英玻璃150衬底上镀铝膜140。
具体的，石英玻璃150具有低热膨胀系数、高耐温性、化学稳定性，所以常被用作镀金属膜。Aluminum(铝膜)纯度为大于99％，电导率为3.56×107S/m，厚度大于200nm。铝膜140具有极佳的金属光泽，光反射率可达97％，用于反射太赫兹波效果更佳。
在一个实施例中，介质层为橡胶垫圈130，橡胶垫圈130的上下两侧分别与太赫兹波可透过的衬底材料120和铝膜140贴合。
具体的，介质层为1mm-10mm厚度不等的橡胶垫圈130支撑起的样品层。由于橡胶垫圈130的耐油、耐酸碱、耐老化及密封性能较好，所以用作密封待测样品效果佳。
在一个实施例中，石英玻璃150上开设有注入孔，注入孔用于将待测样品导入橡胶垫圈130的内圈。
上述光控超高阶导模的太赫兹传感器的结构从上到下分别为硅层110、太赫兹波可透过的衬底材料120、橡胶垫圈130、铝膜140和石英玻璃150。
在使用时，将未通入待测样品的光控超高阶导模的太赫兹传感器竖直放置在角度可调的反射式探头正中间位置，该反射式探头包括发射探头220和接收探头230，通过发射探头220将0.1-2.5THz电磁波以入射角θ照射在硅层110上，随后用800nm的连续波泵浦激光器210垂直入射在太赫兹波作用位置，接收探头230位于反射角θ位置，从而测得该条件下的时域谱、频域谱，并将该谱线作为空腔参考光谱。
本实例所使用的光控超高阶导模的太赫兹传感器为基于增强太赫兹与物质相互作用设计出来的结构。波导，是用来定向引导电磁波的结构，将能量从一个地方传到另一个地方。波导能够将能量束缚在一个中空的金属中，这样可以大大降低能量传输过程中的损耗。在材料选取时，主要应考虑透过性能和折射率，单晶硅对于频率在10THz以下的电磁波吸收系数很小，几乎是透明的。而且对于波长在10.27μm到3mm之间的电磁波，单晶硅的折射率变化极为缓慢，可以近似认为维持在定值n＝3.42，而且半导体硅可以激发出类金属属性，又能透过太赫兹波，用它来作为波导包层材料效果佳。
随后用注射器将待测样品通过石英玻璃150上的注入孔注入到光控超高阶导模的太赫兹传感器的介质层，将充满待测样品的传感器竖直放置在角度可调式探头正中间位置，通过发射探头220将0.1-2.5THz电磁波以入射角θ照射在硅层110上，用800nm的连续波泵浦激光器210垂直入射在太赫兹波作用位置上，接收探头230位于反射角θ位置，检测约1min，从而测得待测样品的检测光谱，通过比较空白对照光谱和待测样品的检测光谱即可得到待测样品的透射光谱。其中，不同入射角下的反射光谱仿真图如图5所示，高阶模式(较小入射角)显示出较高的灵敏度。需要说明的是，本实施例中对于光谱或频谱的检测均可应用，在实际使用过程中无实际区别。
如图3所示，在一个实施例中，一种太赫兹时域光谱系统，包括泵浦激光器210、发射探头220、接收探头230及上述任一项实施例的光控超高阶导模的太赫兹传感器；泵浦激光器210垂直入射指向光控超高阶导模的太赫兹传感器，发射探头220以一入射角指向光控超高阶导模的太赫兹传感器上的激光作用的位置处，接收探头230设置在对应于入射角的反射角位置.
具体的，将未通入待测样品的该传感器竖直放置在角度可调的反射式探头正中间位置，该反射式探头包括发射探头220和接收探头230，通过发射探头220将0.1-2.5THz电磁波以入射角θ照射在硅层110上，用800nm的连续波泵浦激光器210垂直入射在太赫兹波作用位置上，接收探头230位于反射角θ位置，从而测得该条件下的频谱，将该频谱作为空白对照。随后用注射器将待测样品通过石英玻璃150上的注入孔注入到该传感器的介质层，将充满待测样品的该传感器竖直放置在角度可调式探头正中间位置，通过发射探头220将0.1-2.5THz电磁波以入射角θ照射在硅层110上，用800nm的连续波泵浦激光器210垂直入射在太赫兹波作用位置上，接收探头230位于反射角θ位置，从而测得待测样品的检测频谱，通过比较空白对照频谱和待测样品的检测频谱即可得到待测样品的透射频谱。
在一个实施例中，本申请提供了一种光控超高阶导模的太赫兹传感器的检测方法，方法包括以下步骤：
启动太赫兹时域光谱系统，发射探头以设定入射角度将太赫兹波作用到光控超高阶导模的太赫兹传感器上；
启动泵浦激光器垂直入射指向所述光控超高阶导模的太赫兹传感器上的太赫兹波作用的位置上，通过调节泵浦激光的光照强度调节传感器的性能；
通过接收探头接收光控超高阶导模的太赫兹传感器反射的太赫兹波，并测得太赫兹波的频谱；
将待测样品注入介质层，并再次执行测得太赫兹波的频谱；
对两次测量得到的频谱进行比较，从而得到待测样品的透射频谱。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种光控超高阶导模的太赫兹传感器，其特征在于，包括：
类金属层，所述类金属层的介电常数能够随光照强度变化而变化，从而达到光控效果，使太赫兹波更好的耦合进入介质层；
金属层，用于反射太赫兹波；
介质层，位于所述类金属层和金属层之间，用于填充待测样品。
2.根据权利要求1所述的光控超高阶导模的太赫兹传感器，其特征在于，所述类金属层、介质层和金属层相互粘接。
3.根据权利要求2所述的光控超高阶导模的太赫兹传感器，其特征在于，所述类金属层为太赫兹波可透过的衬底材料上镀硅层。
4.根据权利要求3所述的光控超高阶导模的太赫兹传感器，其特征在于，所述金属层为石英玻璃衬底上镀铝膜。
5.根据权利要求4所述的光控超高阶导模的太赫兹传感器，其特征在于，所述介质层为橡胶垫圈，所述橡胶垫圈的上下两侧分别与所述太赫兹波可透过的衬底材料和所述铝膜贴合。
6.根据权利要求5所述的光控超高阶导模的太赫兹传感器，其特征在于，所述石英玻璃上开设有注入孔，所述注入孔用于将待测样品导入橡胶垫圈的内圈。
7.根据权利要求6所述的光控超高阶导模的太赫兹传感器，其特征在于，所述硅层厚度大于400纳米。
8.根据权利要求7所述的光控超高阶导模的太赫兹传感器，其特征在于，所述铝膜厚度大于200纳米。
9.一种太赫兹时域光谱系统，其特征在于，包括泵浦激光器、发射探头、接收探头及权利要求1-8任一项所述的光控超高阶导模的太赫兹传感器；
所述泵浦激光器垂直入射指向所述光控超高阶导模的太赫兹传感器，所述发射探头以一入射角指向所述光控超高阶导模的太赫兹传感器上的激光作用的位置处，所述接收探头设置在对应于入射角的反射角位置。
10.一种光控超高阶导模的太赫兹传感器的检测方法，其特征在于，所述方法包括：
启动太赫兹时域光谱系统，发射探头以设定入射角度将太赫兹波作用到光控超高阶导模的太赫兹传感器上；
启动泵浦激光器垂直入射指向所述光控超高阶导模的太赫兹传感器上的太赫兹波作用的位置上，通过调节泵浦激光的光照强度调节传感器的性能；
通过接收探头接收光控超高阶导模的太赫兹传感器反射的太赫兹波，并测得太赫兹波的频谱；
将待测样品注入介质层，并再次执行测得太赫兹波的频谱；
对两次测量得到的频谱进行比较，从而得到待测样品的透射频谱。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310240115.7A CN116223437A (zh) | 2023-03-10 | 2023-03-10 | 光控超高阶导模的太赫兹传感器、检测方法及光谱系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310240115.7A CN116223437A (zh) | 2023-03-10 | 2023-03-10 | 光控超高阶导模的太赫兹传感器、检测方法及光谱系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116223437A true CN116223437A (zh) | 2023-06-06 |
Family
ID=86578521
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310240115.7A Pending CN116223437A (zh) | 2023-03-10 | 2023-03-10 | 光控超高阶导模的太赫兹传感器、检测方法及光谱系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116223437A (zh) |
-
2023
- 2023-03-10 CN CN202310240115.7A patent/CN116223437A/zh active Pending
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