[发明专利]一种太赫兹波段超材料传感器

说明书

本发明请求保护一种太赫兹波段超材料传感器。该传感器包括介质层和介质层上依附的亚波长金属阵列的超材料，亚波长金属阵列单元由圆形谐振环和金属条组成，圆形谐振环的斜对称方向设有四个大小相同的开口，金属条位于谐振环中且相对于谐振环中心向上平移1μm，形成在x方向的非对称结构。通过结构的非对称性的引入，实现了类EIT效应，提高了器件的Q值和传感性能。该传感器利用透射率谱中类EIT效应产生的尖锐透射峰频率在单位折射率变化内平移的量来衡量传感器的灵敏度，实现了400GHz‑900GHz频率范围内的高灵敏的折射率传感。

技术领域

本发明属于太赫兹传感器技术，具体是一种超材料的高Q值、高灵敏度的折射率传感器。

背景技术

太赫兹波介于毫米波和红外光之间，频率在0.1THz到10THz范围内，对应波长范围为3mm到30μm。目前，随着太赫兹辐射产生和探测技术的发展，THz在非电离的生物化学传感应用方面有着很大潜力。亚波长金属结构(亦称超材料)是指其结构尺寸远小于波长的金属结构，具有奇特的电磁谐振性质，诸如负折射、异常透射以及介电环境敏感等，且它的性质不主要取决于构成材料的本征性质，而是其人工设计结构。由于许多物质在THz波段存在指纹谱，可将超材料用于太赫兹传感技术中，并且与常规的太赫兹时域光谱(THz-TDS)测量法相比，具有简便和灵敏度更高的优点。

基于超材料的太赫兹折射率传感器通常由于具有高品质因子Q(吸收峰对应的频率f与半高全宽对应的频率Δf的比值，即Q＝f/Δf)的高谐振响应的性质而展现出很窄的工作带宽，然后依靠外界物质的折射率的变化引起谐振点或谐振峰的红移进行探测。

基于LC谐振和偶极震荡模式的太赫兹超材料传感器结构简单，易于加工，但它们的Q值一般在10以下，导致传感器的灵敏度较低，不适用于实际的传感中。电磁诱导透明(EIT)效应是三能级原子系统中观察到的一种非线性量子效应，使不透明介质在一个窄的光谱范围内广泛吸收，产生透明窗口。基于类EIT效应的太赫兹传感器通过利用超辐射(明模)和亚辐射(暗模)模式之间的干涉，极大地降低甚至完全抑制了系统的辐射损耗，提高了器件的Q值。器件的Q值越高，能量越集中，因而对能量集中区域的场分布变化会更加敏感，从而增强器件的传感性能，为太赫兹波的调控提供了新方法。

目前，国内外太赫兹超材料折射率传感器对于某些微量物质或微小浓度物质的检测灵敏度还不够高，限制了太赫兹传感器的应用。并且目前用于实验测量的太赫兹时域光谱系统的频谱分辨率较低，影响了传感检测的精度。如何设计出结构简单、制备容易、成本较低且适宜批量生产的太赫兹波折射率传感器，是研究人员需要考虑的重要因素。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于类EIT效应、适用于400GHz-800GHz频段的高Q值、高灵敏度的太赫兹超材料折射率传感器。本发明的技术方案如下：

一种太赫兹波段超材料传感器，包括介质层，还包括附在所述介质层上的亚波长金属阵列，利用其谐振模式对折射率变化较为敏感的特性，将它用于对折射率的传感；所述亚波长金属阵列包含多个谐振环和金属条组成的结构单元，所述谐振环用于载太赫兹波激励下实现谐振，金属条用于引入结构的非对称性，实现类EIT效应，所述每个谐振环为圆弧，多个谐振环整体组合成为一个圆形谐振环，且在谐振环的斜对称方向设有若干个大小相同的开口，金属条位于谐振环中且相对于谐振环的中心上方位置处。

进一步的，所述谐振环的个数为4个，所大小相同的开口的个数也为4个。

进一步的，所述金属条位于谐振环的中心上方1-4μm位置处。

进一步的，所述金属条向上平移，形成在x方向的非对称结构，由金属条平移距离为0μm时表现出的亮模式和平移距离为1μm的表现出的暗模式发生强耦合，产生类EIT效应；当金属层上分别覆盖一层不同浓度的分析物时，太赫兹波通过器件的透射谱出现明显的偏移现象，利用类EIT效应产生的尖锐透射峰频率在单位折射率变化内平移的量来衡量传感器的灵敏度，实现了400GHz-800GHz频率范围内的高灵敏的折射率传感。