CN117969448A - 基于bic齿轮形全介质太赫兹超表面生物传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于BIC齿轮形全介质太赫兹超表面生物传感器，由多个单元呈周期性排布构成，每个单元结构均相同，均包括石英组成的衬底，以及衬底上面由全介质太赫兹构成的超表面结构。本发明解决了现有技术中存在的超表面谐振器中品质因子低，结构复杂，检测灵敏度低问题。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹光谱应用技术领域，具体涉及一种基于BIC齿轮形全介质太赫兹超表面生物传感器。
背景技术
电磁超材料是由亚波长的金属或介质材料经周期性或者非周期性排列组成，电磁超材料与入射电磁波的电场和磁场共振耦合，能够表现出一些特殊的电磁响应，显现出天然材料无法实现的性质，如负折射率材料、零折射率材料、和超高折射率材料等。电磁超表面，简称为“超表面”，是由电磁超材料衍生出来的概念，其可以看作是三维超材料的二维平面形式，将超材料的基本单元结构按照一定的序列或者规律排列在平面上便构成了二维的超表面。相比于三维超材料，超表面具有更小的质量和体积，对进一步缩小光学器件的尺寸具有重要意义。其次，超表面的加工难度及加工成本都大幅度减小。过去的几年中，超表面常用于光学器件和光学系统的设计和制造，其性能远远超过传统衍射光学元件，目前超表面已经成为了超材料研究的一个重要分支，并且在工程上具有巨大的应用潜力。
太赫兹(Terahertz，简称THz)波是通常被定义为频率在0.1THz-10 THz(波长在3mm-30μm)的电磁波，在电磁波谱中其频谱位于红外电磁波与微波频谱之间，由于其特殊的频率位置，太赫兹波是电子学向光子学的过渡区，也是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区。太赫兹辐射的光子能量低于绝大多数物质化学键之间的能量，对大多数非极性电介质具有很好的穿透特性。太赫兹波的频带较宽，许多生物大分子的振动和转动能级都处于太赫兹波段，该波段包含了丰富的光谱信息，有利于研究其它物质在该波段的光谱特性，可以通过特征共振对物质进行探测分辨。太赫兹波还具有辐射能量低、空间分辨率高和宽带光谱分析等优势。因此，太赫兹波在通信、国防安全、生物医疗等领域中具有优异的性能与极大的发展潜力。
连续域束缚态(Bound states in the continuum，BIC)是开放系统的局域模式，其与可以带走能量的连续辐射波共存。BIC为实现高品质因子(Quality factor,Q factor)共振提供了一种新的途径，在理论上可以实现具有无限高Q因子的共振。BIC的概念首次在量子力学中被提出，后来被推广为一种普遍的波现象，已经在多个领域中得到了实验验证。2008年，Marinica等人以两个平行介质光栅和两个平行介质圆柱为例，首次将BIC的概念引入光学。2011年，Plotnik等利用光波导阵列首次实验观测到与BIC相关的光学现象。理想BIC在频谱中表现为零带宽共振，这只能在无损和无限结构中获得。在实际中，由于材料损耗、器件尺寸制约以及加工缺陷等多方面限制，利用超表面较难实现理想BIC。一般通过将理想BIC转换为具有有限高Q值的准BIC(quasi-BIC)模式来满足应用需求。基于准BIC的高Q值的超表面谐振器在生物化学传感、谐波增强、激光等领域表现出优异的性能。
近些年来研究人员通过采用具有较强局域电磁场增强效应的太赫兹超表面作为一种传感器件，有效增强了太赫兹波与痕量待测样品的相互作用。然而，传统的基于金属材料设计而成的太赫兹超表面生物传感器由于其固有的金属损耗以及易腐蚀等不足，在痕量生物化学物质检测过程中，通常会产生较大的背景噪声进而对检测的敏感性和可重复性产生影响。全介质超表面由于其高折射率和固有的低耗散损耗而成为研究BIC传感的强大光子平台。通过破坏结构的对称性，BIC可以被改变，并转化为准BIC。由于BIC模式会产生无穷大的Q因子，因此在略微偏离对称模式时，准BIC的电磁能量可以辐射到外部连续谱并产生高Q因子共振。而通过准BIC驱动的全介质超表面在超灵敏生化传感方面具有相当大的应用潜力。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于BIC齿轮形全介质太赫兹超表面生物传感器，解决了现有技术中存在的超表面谐振器中品质因子低，结构复杂，检测灵敏度低问题。
本发明所采用的技术方案是，基于BIC齿轮形全介质太赫兹超表面生物传感器，由多个单元呈周期性排布构成，每个单元结构均相同，均包括石英组成的衬底，以及衬底上面由全介质太赫兹构成的超表面结构。
本发明的特点还在于，
衬底横切面为正方形。
衬底的周期为50-58μm，高度为90-130μm。
超表面结构设置于所述衬底上表面中心位置处，超表面结构的上表面与衬底上表面平行，超表面结构的横切面为齿轮形，即超表面结构沿竖直方向内部为中心圆柱，中心圆柱外部设置有四个扇形结构，四个扇形结构间隔设置。
表面结构的中心圆柱横切面半径为10-15μm。
超表面结构的四个扇形结构的截面半径均为20-25μm。
在引入对称扰动之前，超表面结构的四个扇形结构的扇心角均为60-62°。
超表面结构的高度为30-40μm。
本发明的有益效果是，基于BIC齿轮形全介质太赫兹超表面生物传感器，相较于金属超材料，金属存在不可避免的欧姆损耗。而基于BIC齿轮形全介质太赫兹超表面生物传感器能够在太赫兹频段实现3000品质因子以上的谐振，同时能够实现调谐，此外不需要复杂的结构单元或者多层超材料堆叠，具有较高的稳定性。通过简单的方法制造，可在太赫兹范围内实现不低于2个窄带强共振峰，有效解决了传统金属基超表面传感器金属损耗大易腐蚀以及不能实现共形检测等困难，器件的检测精准度与灵敏度得到了进一步提高，从而在痕量生物物质传感检测的实际应用种同时具有高灵敏度、高精准度以及特异性检测等优点。
附图说明
图1是本发明一种基于BIC齿轮形全介质太赫兹超表面生物传感器的单元三维结构线图；
图2是本发明一种基于BIC齿轮形全介质太赫兹超表面生物传感器的单元俯视图；
图3是本发明一种基于BIC齿轮形全介质太赫兹超表面生物传感器通过改变扇心角进行对称扰动的方式；
图4是本发明一种基于BIC齿轮形全介质太赫兹超表面生物传感器在x轴右侧不同扇心角度的情况下太赫兹波垂直入射时的透射谱；
图5是本发明一种基于BIC齿轮形全介质太赫兹超表面生物传感器在太赫兹波垂直入射情况下，共振峰的频率变化和待测物折射率的关系；
图6是本发明一种基于BIC齿轮形全介质太赫兹超表面生物传感器在太赫兹波垂直入射情况下，FOM值与待测物折射率的关系。
图中，1.结构，2.衬底。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明基于BIC齿轮形全介质太赫兹超表面生物传感器，由多个单元呈周期性排布构成，每个单元结构均相同，结合图1、图2，均包括石英组成的衬底2，以及衬底2上面由全介质太赫兹构成的超表面结构1。
衬底2横切面为正方形。
衬底2的周期为50-58μm，高度为90-130μm。
超表面结构1设置于所述衬底2上表面中心位置处，超表面结构1的上表面与所述衬底2上表面平行，超表面结构1的横切面为齿轮形，即超表面结构1沿竖直方向内部为中心圆柱，中心圆柱外部设置有四个扇形结构，四个扇形结构间隔设置。
超表面结构1的中心圆柱横切面半径为10-15μm。
超表面结构1的四个扇形结构的截面半径均为20-25μm。
在引入对称扰动之前，超表面结构1的四个扇形结构的扇心角均为60-62°。
超表面结构1的高度为30-40μm。
本发明通过在超表面设计并加工周期性阵列结构，通过引入几何参数上的扰动，使得单元结构的对称性发生变化，进而能够实现可调谐准BIC共振，可在太赫兹波段实现较强的局域电磁场增强效应，进而可通过太赫兹光谱信号的高灵敏识别性检测样品折射率的微小扰动。
实施例1
本发明基于BIC齿轮形全介质太赫兹超表面生物传感器，由多个单元呈周期性排布构成，每个单元结构均相同，结合图1、图2，均包括石英组成的衬底2，以及衬底2上面由全介质太赫兹构成的超表面结构1。
衬底2横切面为正方形。
衬底2的周期为50-58μm，高度为90-130μm。
超表面结构1设置于所述衬底2上表面中心位置处，超表面结构1的上表面与所述衬底2上表面平行，超表面结构1的横切面为齿轮形，即超表面结构1沿竖直方向内部为中心圆柱，中心圆柱外部设置有四个扇形结构，四个扇形结构间隔设置。
在引入对称扰动之前，超表面结构1的四个扇形结构的扇心角均为60-62°。
超表面结构1的高度为30-40μm。
实施例2
本发明基于BIC齿轮形全介质太赫兹超表面生物传感器，由多个单元呈周期性排布构成，每个单元结构均相同，结合图1、图2，均包括石英组成的衬底2，以及衬底2上面由全介质太赫兹构成的超表面结构1。
衬底2横切面为正方形。
衬底2的周期为50-58μm，高度为90-130μm。
超表面结构1设置于所述衬底2上表面中心位置处，超表面结构1的上表面与所述衬底2上表面平行，超表面结构1的横切面为齿轮形，即超表面结构1沿竖直方向内部为中心圆柱，中心圆柱外部设置有四个扇形结构，四个扇形结构间隔设置。
超表面结构1的中心圆柱横切面半径为10-15μm。
超表面结构1的四个扇形结构的截面半径均为20-25μm。
实施例3
本发明基于BIC齿轮形全介质太赫兹超表面生物传感器，齿轮形超表面结构由中心圆柱与四个均匀排布的扇形组成，四个扇形弧中点与圆心的连线均平行于衬底2横切面的边线。超表面单元结构沿x和y方向的周期为a最小为50μm，最大为58μm。衬底2的高度为l最小为90μm，最大为130μm。超表面结构1的中心圆柱半径为r最小为10μm，最大为15μm。超表面结构1的四个扇形的半径R最小为20μm，最大为25μm。结构1的四个扇形扇心角θ最小为60°，最大为62°。超表面结构1的高度为h最小为30μm，最大为40μm。
图3给出了超表面结构1通过改变x轴右侧扇心角度从而引入对称性变化，引入对称扰动来实现准连续域束缚态，从而激发具有高品质因子的谐振
图4给出了x轴右侧扇心角的不同参数对应的透射光谱，当右侧扇心角改变时，对称性被改变，意味着此时共振由理想BIC转化为准BIC，具有较高的品质因子。且从图4可看出，随着|Δθ|的增大，谐振的线宽变宽，品质因数减小。
图5给出了右侧扇形角θ＝54°时产生共振峰的频率随分析物折射率的变化。
图6是本发明θ＝54°时FOM值与待测物折射率的关系，由于检测时两个共振峰会发生电磁耦合。使得品质因子因为两个模式的耦合而异常抬高，导致了FOM值在折射率1.5-2.1的增大。
Claims (8)
1.基于BIC齿轮形全介质太赫兹超表面生物传感器，其特征在于，由多个单元呈周期性排布构成，每个单元结构均相同，均包括石英组成的衬底(2)，以及衬底(2)上面由全介质太赫兹构成的超表面结构(1)。
2.根据权利要求1所述的基于BIC齿轮形全介质太赫兹超表面生物传感器，其特征在于，所述衬底(2)横切面为正方形。
3.根据权利要求1所述的基于BIC齿轮形全介质太赫兹超表面生物传感器，其特征在于，所述衬底(2)的周期为50-58μm，高度为90-130μm。
4.根据权利要求1所述的基于BIC齿轮形全介质太赫兹超表面生物传感器，其特征在于，所述超表面结构(1)设置于所述衬底(2)上表面中心位置处，超表面结构(1)的上表面与所述衬底(2)上表面平行，超表面结构(1)的横切面为齿轮形，即超表面结构(1)沿竖直方向内部为中心圆柱，中心圆柱外部设置有四个扇形结构，四个扇形结构间隔设置。
5.根据权利要求4所述的基于BIC齿轮形全介质太赫兹超表面生物传感器，其特征在于，所述超表面结构(1)的中心圆柱横切面半径为10-15μm。
6.根据权利要求4所述的基于BIC齿轮形全介质太赫兹超表面生物传感器，其特征在于，所述超表面结构(1)的四个扇形结构的截面半径均为20-25μm。
7.根据权利要求1所述的基于BIC齿轮形全介质太赫兹超表面生物传感器，其特征在于，在引入对称扰动之前，所述超表面结构(1)的四个扇形结构的扇心角均为60-62°。
8.根据权利要求1所述的基于BIC齿轮形全介质太赫兹超表面生物传感器，其特征在于，所述超表面结构(1)的高度为30-40μm。
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