CN117589714B - 一种环偶极子激发的高q值太赫兹超表面传感器 - Google Patents
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Abstract
本公开的实施例提供一种环偶极子激发的高Q值太赫兹超表面传感器，包括：衬底；金属薄膜，形成于衬底表面；若干超表面单元结构，呈周期阵列排布于金属薄膜的背离衬底的表面；其中，超表面单元结构包括短边相对设置的两个L型金属结构，且两个L型金属结构件之间间距布置。本发明采用周期排列的双L型金属结构超表面，当太赫兹电场垂直方向正入射时，激发超表面中的环形偶极共振模式，增强了太赫兹波与分析物相互作用，引起光谱强烈变化，进而提高传感器传感性能。从而可以实现痕量分析物浓度变化所引起的超表面结构表面介电环境的微小变化的探测。具有检测灵敏度高的优点，能实现对分析物的高灵敏检测。
Description
技术领域
本公开的实施例属于电磁功能器件技术领域，具体涉及一种环偶极子激发的高Q值太赫兹超表面传感器。
背景技术
太赫兹波通常指频率在0.1THz～10THz的电磁波，正是位于红外和微波之间的一段电磁波谱，它结合了光电子学、半导体学和材料学等多个学科的交叉。由于太赫兹波在电磁频谱中所处位置的特殊性，使其具有诸多独特性质：1)安全性，太赫兹波的量子能量很低(频率为1THz的太赫兹波的量子能量仅为4.1meV)不会引起有害的电离反应。2)穿透性,对大部分介电材料和非极性液体具有良好的穿透性，可以对纸张、针织物、塑料、陶瓷、木材等不透明材料的物体进行内部结构检测。3)宽频谱：太赫兹脉冲的频带可以覆盖0.1-10THz的范围，许多物质在太赫兹波段具有丰富的频谱信息，可以根据这些物质在太赫兹波段丰富的吸收特征判断物质成分。鉴于太赫兹波的独特优势，太赫兹技术给通信、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像、无损检测、安全检查等领域带来了深远的影响。
在太赫兹探测技术的应用中，其在安全检测、物质探测识别以及生物医药等领域尤为突出。一方面太赫兹辐射是非电离的，且存在分子指纹谱，故太赫兹光谱可对违禁物品、易燃易爆物品进行无损检查和成像，有效揭示分子间的转动和振动以及生物大分子动力学；另一方面太赫兹微弱的光子能量几乎不会对人或动植物造成损伤，适合于生命医学领域的传感检测。然而，传统太赫兹光谱研究中测量和分析的待测物数量、浓度都远高于实际应用中的情况，对现实中痕量物质的检测较为困难，因此如何进一步提升THz传感器的检测分辨率、灵敏度以及各种传感性能是迫切需要的。各种等离子体共振模式的结构被设计用于提高太赫兹传感灵敏度，但是这些结构很难与太赫兹源、探测器等器件匹配，限制了它们的应用。
超材料(Metamaterials)是指由人工亚波长结构阵列组成的复合材料，其宏观的电磁属性主要由单元结构和排列方式确定。通过有目的地设计组成单元和激发方式可以有效控制太赫兹波的振幅、相位、偏振以及传输特性，实现自然材料不能实现的某些特异物理属性和现象如负折射率、旋光性及超吸收等，弥补太赫兹波段电磁材料及功能器件的不足。由于超材料是利用材料空间上带来的相位累积，以实现对电磁波的操控，因此需要一定的厚度，导致加工难度增大，材料损耗增加，限制了太赫兹超材料器件的发展和应用。相对于超材料，超表面(Metasurface)是将单元结构在二维平面上进行周期排列，构成二维形式的超材料，其具有体积小，剖面低、物理空间小以及损耗低等巨大优势。
目前已有的太赫兹超表面传感器存在的不足主要有：1)Q值普遍不高；2)不能同时实现高Q与高传感灵敏度S。
因此，如何解决上述问题成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本公开的实施例旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种环偶极子激发的高Q值太赫兹超表面传感器。
本公开的实施例的一个方面，提供一种环偶极子激发的高Q值太赫兹超表面传感器，包括：
衬底；
金属薄膜，形成于所述衬底表面；
若干超表面单元结构，呈周期阵列排布于所述金属薄膜的背离所述衬底的表面；其中，所述超表面单元结构包括短边相对设置的两个L型金属结构，且两个所述L型金属结构之间间距布置。
可选的，相邻两个所述超表面单元结构之间间距布置。
可选的，所述超表面单元结构尺寸为亚波长量级。
可选的，两个L型金属结构包括第一金属结构和第二金属结构；
所述第一金属结构包括相连接的第一金属条和第二金属条；
所述第二金属结构包括相连接的第三金属条和第四金属条；
其中，所述第二金属条为L型所述第一金属结构的短边，所述第三金属条为L型所述第二金属结构的短边；所述第一金属条与所述第四金属条之间的间距大于所述第二金属条与所述第三金属条之间的间距。
可选的，所述金属薄膜的材质包括铜，所述金属薄膜的厚度为1.8-2.2µm。
可选的，所述超表面单元结构的材质包括铜，所述超表面单元结构的厚度为28-32µm。
可选的，相邻两个所述超表面单元结构之间横向之间的间距为28-32µm，纵向的间距为28-32µm。
可选的，所述第一金属条和第四金属条长度为110-120µm，宽度为19-21µm。
可选的，所述第二金属条和所述第三金属条的长度为38-42µm，宽度为23-25µm。
可选的，所述第二金属条和所述第三金属条之间的间距为31-33µm；所述第一金属条和所述第四金属条之间的间距为79-81µm。
本公开的实施例的有益效果，包括：
本发明为一种环偶极子激发的高Q值太赫兹超表面传感器，采用周期排列的双L型金属结构超表面，当太赫兹电场垂直方向正入射时，激发超表面中的环形偶极共振模式，同时，在反射光谱中出现尖锐的共振峰，金属薄膜使得结构共振处的电场局域增强效应进一步提升，增强了太赫兹波与分析物相互作用，引起光谱强烈变化，进而提高传感器传感性能。从而可以实现痕量分析物浓度变化所引起的超表面结构表面介电环境的微小变化的探测。具有检测灵敏度高的优点，能实现对分析物的高灵敏检测。
附图说明
图1为本公开的一实施例的一种环偶极子激发的高Q值太赫兹超表面传感器的结构示意图；
图2为本公开的另一实施例的一种超表面单元结构的结构示意图；
图3为本公开的一实施例的一种环偶极子激发的高Q值太赫兹超表面传感器的反射谱；
图4为本公开的一实施例的一种超表面传感器结构共振处表面电流、电场、磁场分布，其中，图4(a)是表面电流分布，图4(b)为电场分布，图4(c)为磁场分布，图4(d)为x-y面磁场分布剖面图；
图5为本公开的一实施例的一种超表面传感器结构共振处散射功率谱；
图6为本公开的一实施例的一种超表面传感器结构共振Q值、共振频率以及环偶极子散射能力随第二金属条和第三金属条y方向的长度h2变化关系，其中，图(a)是Q值、共振频率随h2变化，图(b)是环偶极子散射能力随h2变化；
图7为本公开的一实施例的一种超表面传感器的传感性能参数，图(a)是传感器反射谱随分析物折射率变化，图(b)是共振频移随分析物折射率变化，图(c)为传感器Q、FOM随分析物折射率变化。
图中，1、衬底；2、金属薄膜；3、超表面单元结构；31、第一金属条；32、第二金属条；33、第三金属条；34、第四金属条。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本公开的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细描述。
下面结合附图和实施例对本申请的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本申请的原理，但不能用来限制本申请的范围，即本申请不限于所描述的实施例。在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个以上；术 语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。“垂直”并不是严格意义上的垂直，而是在误差允许范围之内。“平行”并不是严格意义上的平行，而是在误差允许范围之内。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
如图1-2所示，一种环偶极子激发的高Q值太赫兹超表面传感器，包括衬底1、金属薄膜2和若干超表面单元结构3。金属薄膜2形成于衬底1表面，若干超表面单元结构3，呈周期阵列排布于金属薄膜2的背离衬底1的表面，其中，超表面单元结构3包括短边相对设置的两个L型金属结构，且两个L型金属结构之间间距布置。
具体的，从图1及图2可以看出，本实施例环偶极子激发的高Q值太赫兹超表面传感器包括以石英制作的衬底1、衬底1上的金属薄膜2层以及在金属薄膜2层表面二维周期阵列排列的若干超表面单元结构3。超表面单元结构3由两个L型金属结构构成，其中，一个超表面单元结构3为一个晶胞周期。
一些实施例中，衬底1的厚度为100μm，其介电常数为3.75。金属薄膜2层和超表面单元结构3通过电子束蒸发镀膜技术、紫外光刻技术和反应离子刻蚀技术制备到衬底1上。
一些实施例中，相邻两个超表面单元结构3之间间距布置。实现周期性阵列排布，从而有效激发环偶极子共振模式。
一些实施例中，两个L型金属结构包括第一金属结构和第二金属结构，第一金属结构包括相连接的第一金属条31和第二金属条32，第二金属结构包括相连接的第三金属条33和第四金属条34。其中，第二金属条32为L型第一金属结构的短边，第三金属条33为L型第二金属结构的短边，第一金属条31与第四金属条34之间的间距大于第二金属条32与第三金属条33之间的间距。
具体的，如图2所示，超表面单元结构3由两个L型金属结构构成。定义二维方向x和y，第一金属条31、第二金属条32、第三金属条33以及第四金属条34沿y方向延伸，并依次沿x方向排布。第一金属条31与第二金属条32紧密相接，第三金属条33与第四金属条34紧密相接，且第一金属条31与第四金属条34之间的x向间距大于第二金属条32与第三金属条33之间的x向间距。
一些实施例中，金属薄膜2的材质包括铜，金属薄膜2的厚度为1.8-2.2um。采用该设置能够将电场更强的局域在超表面单元结构中，提升对物质变化的识别灵敏度。
在一些实施例中，金属薄膜2的厚度为2um。金属薄膜2的厚度为2um时，能够显著提升对物质变化的识别灵敏度。
一些实施例中，超表面单元结构3的材质包括铜，超表面单元结构的厚度为28-32um。采用该设置从而具有更强的环偶极子共振效应，增强物质与入射光之间的相互作用。
在一些实施例中，超表面单元结构的厚度为30um，此时能够具有显著的环偶极子共振效应，以增强物质与入射光之间的相互作用。
一些实施例中，相邻两个超表面单元结构3之间横向之间的间距为28-32um，纵向的间距为28-32um。采用该设置从而提升环偶极子共振模式强度，实现尖锐的共振峰。可以理解的是，横向为x方向，纵向为y方向。
在一些实施例中，相邻两个超表面单元结构3之间横向之间的间距为30um，纵向的间距为30um。采用该设置方式，可以显著提升环偶极子共振模式强度，实现尖锐的共振峰。
一些实施例中，第一金属条31和第四金属条34长度为110-120µm，宽度为19-21µm。采用该设置能偶增强环偶极子散射能量，提升超表面反射Q值。
在一些实施例中，第一金属条31和第四金属条34长度为120um，宽度为20um。采用该设置，可以显著增强环偶极子散射能量，提升超表面反射Q值。
一些实施例中，第二金属条32和第三金属条33的长度为38-42µm，宽度为23-25µm。采用该设置能够提升超表面电场局域特性，增强电场局域强度，实现传感器灵敏度的有效提升。
在一些实施例中，第二金属条32和第三金属条33的长度为40um，宽度为24um。采用该设置，可以显著提升超表面电场局域特性，增强电场局域强度，实现传感器灵敏度的有效提升。
一些实施例中，第二金属条32和第三金属条33之间的间距为31-33µm。第一金属条31和第四金属条34之间的间距为79-81µm。采用该设置从而实现表面电流在间隙间的循环流动，进而形成首尾闭合的磁场。
在一些实施例中，第二金属条32和第三金属条33之间的间距为32um，第一金属条31和第四金属条34之间的间距为80um.采用该设置，能够有效实现表面电流在间隙间的循环流动，进而形成首未闭合的磁场。
具体的，继续参考图1-2，以周期性边界条件为基础，利用时域有限差分方法的计算结果选取最优参数，其中，衬底1厚度t1为100µm，金属薄膜2层厚度t2为2µm，超表面单元结构3厚度a为30µm。进一步，相邻两个超表面单元结构3之间沿x方向之间的间距为30µm，沿y方向的间距为30µm。
进一步的，第一金属条31和第四金属条34在y方向的长度h1为120µm，x方向的长度w2为20µm，第二金属条32和第三金属条33在y方向的长度h2为40µm，x方向的长度w1为24µm。第二金属条32和第三金属条33在x方向间距d1为31-33µm，第一金属条31和第四金属条34在x方向间距d2为79-81µm，采用该设置能够激发相反的表面电流，从而实现双磁涡旋，提升环偶极子在共振模式中的贡献，增强传感器传感性能。一些实施例中，单个超表面单元结构的晶胞周期为Px＝150µm，Py＝150µm。
在一些实施例中，第二金属条32和第三金属条33在x方向间距d1为32µm，第一金属条31和第四金属条34在x方向间距d2为80µm。采用该设置，能够显著激发相反的表面电流，从而实现双磁涡旋，提升环偶极子在共振模式中的贡献，增强传感器传感性能。
一些实施例中，如图3所示，当太赫兹电场分量垂直于y方向正入射到超表面单元结构3表面时，太赫兹波与超表面传感器相互作用，在1.46475THz处激发环形偶极子共振，计算其Q值，Q＝f/FWHM＝2931，其中f＝1.46475THz，为共振频率，FWHM＝0 .000498THz，为共振处的半高全宽。
图4是基于时域有限差分法模拟的超表面单元结构3共振处表面电流、电场及磁场分布。如图4(a)表面电流沿结构间隙循环流动，且在两个L型金属结构周围的流动方向相反。图4(b)为共振处电场分布，电场局域在超表面单元结构3表面，且方向与电流方向一致。图4(c)和4(d)为共振处磁场分布，磁场沿相反方向分布，在超表面单元结构3周围形成了一个清晰的磁场首尾闭合，该闭合的磁涡旋可诱导产生环形偶极子共振。
图5所示为超表面单元结构3共振处散射功率谱，其中考虑计算电偶极P，磁偶极M，环形偶极T，电四极Q e ，磁四极Q m ，其计算公式如下：
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，
其中，J为表面电流密度，c为光速，为角频率，r是坐标向量，α, β为x,y,z表示向量的笛卡尔分量。计算结果如图5，可以发现，在共振处，环形偶极占主导地位，因此共振为环形偶极子共振。
图6为超表面单元结构3共振Q值，共振频率以及环偶极子散射能量随第二金属条32和第三金属条33在y方向的长度h2变化关系。对于超表面传感器而言，其Q值作为重要的传感性能参数，通常希望越大越好，同时环偶极子能量越大代表电场局域能力越强。图6中(a)是Q值和共振频率随h2变化，随着h2增加，Q值先增加后减小并在40µm处达到最大，共振频率向高频出移动。图6中(b)为环偶极子散射能量随 h2变化，其在h2=40µm时具有最大值，在设计超表面传感器时可以将h2=40µm作为最优值并进行传感研究。
图7为太赫兹超表面传感器的传感性能参数。图7(a)是传感器反射谱随分析物折射率变化，当分析物折射率从1.0增加到1.05，间隔为0.01，其反射谱向低频方向移动，进而得到共振频移与分析物折射率之间的关系如图7(b)，通过拟合共振频移随折射率变化如下：
FS=1.305n-1.304，
其满足线性关系，传感器的传感灵敏度通常定义为线性拟合斜率，因此传感器的灵敏度为S＝1.305THz/RIU。此外，作为表征超表面传感器的综合性能参数FOM，其含义为在满足高传感灵敏度的同时，还具有较高的光谱分辨能力，其定义为：
FOM＝S/FWHM＝S×Q/f0，
图7(c)为传感器Q、FOM随分析物折射率变化，随着分析物折射率增加，Q值和FOM值随之减小，在n＝1.05时其值仍然可达2011、1691，远大于目前研究报道的太赫兹超表面传感器性能参数。
由此，可以确定采用本发明结构及技术的太赫兹超表面传感器的传感性能参数均较现有设计方案有大幅提升，满足本发明提出的高性能太赫兹超表面传感器的目的，具有很好的发展及应用前景。
本公开另一个实施例，提供了一种环偶极子激发的高Q值太赫兹超表面传感器的检测方法，包括：利用共振频率移动差值方法对分析物折射率进行传感探测，所述共振频率移动差值为不同折射率下超表面结构反射谱共振处频率之差。
综上，1、本发明为一种环偶极子激发的高Q值太赫兹超表面传感器，采用周期排列的双L型金属结构超表面，当太赫兹电场垂直y方向正入射时，激发超表面中的环形偶极共振模式，同时，在反射光谱中出现尖锐的共振峰，底层金属薄膜2使得结构共振处的电场局域增强效应进一步提升，增强了太赫兹波与分析物相互作用，引起光谱强烈变化，进而提高传感器传感性能。从而可以实现痕量分析物浓度变化所引起的超表面结构表面介电环境的微小变化的探测。具有检测灵敏度高的优点，能实现对分析物的高灵敏检测。
2、本发明以在石英衬底上涂敷铜金属薄膜2层，可以进一步将电磁场能量局域在超表面单元结构3中、减少辐射损耗，进而增强超表面传感性能。
3、本发明通过对超表面传感器加入不同折射率分析物进行光谱测量，发现该传感器对分析物折射率变化异常敏感，反射光谱中出现不同的共振峰频移，传感器具有优异的传感性能参数(高品质因子Q、高传感灵敏度S以及高综合性能参数FOM)。
4、本发明基于环偶极子激发的高Q太赫兹超表面传感器，利用共振频移的传感方法实现对分析物的高灵敏检测识别，不仅解决了传统太赫兹超表面频移传感性能参数较低的问题，还实现了对分析物的高精度传感检测，对于不同折射率的分析物具有异常敏感的检测能力，为太赫兹领域的高性能传感器提供了新的可行的途径。
5、本发明基于环偶极子激发的高Q值太赫兹超表面传感器具有结构简单、易于加工、传感性能优异等优点，可以广泛适用于太赫兹生物传感领域。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本公开的原理而采用的示例性实施方式，然而本公开并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本公开的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本公开的保护范围。
Claims (9)
1.一种环偶极子激发的高Q值太赫兹超表面传感器，其特征在于，包括：
衬底；
金属薄膜，形成于所述衬底表面；
若干超表面单元结构，呈周期阵列排布于所述金属薄膜的背离所述衬底的表面；其中，所述超表面单元结构包括短边相对设置的两个L型金属结构，且两个所述L型金属结构之间间距布置；
两个L型金属结构包括第一金属结构和第二金属结构；
所述第一金属结构包括相连接的第一金属条和第二金属条；
所述第二金属结构包括相连接的第三金属条和第四金属条；
其中，所述第二金属条为L型所述第一金属结构的短边，所述第三金属条为L型所述第二金属结构的短边；所述第一金属条与所述第四金属条之间的间距大于所述第二金属条与所述第三金属条之间的间距。
2.根据权利要求1所述的环偶极子激发的高Q值太赫兹超表面传感器，其特征在于，
相邻两个所述超表面单元结构之间间距布置。
3.根据权利要求1所述的环偶极子激发的高Q值太赫兹超表面传感器，其特征在于，
所述超表面单元结构尺寸为亚波长量级。
4.根据权利要求1所述的环偶极子激发的高Q值太赫兹超表面传感器，其特征在于，
所述金属薄膜的材质包括铜，所述金属薄膜的厚度为1.8-2.2µm。
5.根据权利要求1所述的环偶极子激发的高Q值太赫兹超表面传感器，其特征在于，
所述超表面单元结构的材质包括铜，所述超表面单元结构的厚度为28-32µm。
6.根据权利要求1所述的环偶极子激发的高Q值太赫兹超表面传感器，其特征在于，
相邻两个所述超表面单元结构之间横向之间的间距为28-32µm，纵向的间距为28-32µm。
7.根据权利要求1所述的环偶极子激发的高Q值太赫兹超表面传感器，其特征在于，
所述第一金属条和第四金属条长度为110-120µm，宽度为19-21µm。
8.根据权利要求1所述的环偶极子激发的高Q值太赫兹超表面传感器，其特征在于，
所述第二金属条和所述第三金属条的长度为38-42µm，宽度为23-25µm。
9.根据权利要求1所述的环偶极子激发的高Q值太赫兹超表面传感器，其特征在于，
所述第二金属条和所述第三金属条之间的间距为31-33µm；所述第一金属条和所述第四金属条之间的间距为79-81µm。
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