[发明专利]一种太赫兹波段超材料传感器

说明书

本发明提出一种太赫兹波段超材料传感器，该传感器包括介质层和附着在所述介质层上的亚波长金属谐振环阵列；其中，所述亚波长金属谐振环阵列包含至少4个谐振环单元，每个所述谐振环单元均包括一四边开口的方形开口谐振环和置于所述方形开口谐振环内的方形谐振环；所述方形开口谐振环与所述方形谐振环均可在太赫兹波激励下实现谐振。本发明所述的太赫兹波段超材料传感器基本谐振环单元结构中的方形开口谐振环和方形谐振环采用嵌套设计，结构简单、性能优越，便于批量制造并且实验结束后方便清洗，满足传感器设计过程中对性价比的需求。

技术领域

本发明属于太赫兹技术领域，具体涉及一种太赫兹波段超材料传感器。

背景技术

太赫兹波是指频率在0.1-10THz(波长为3mm-30um)范围内的电磁波，它位于红外与微波之间。因其处于电磁波谱的特殊位置，使其具有一系列特殊性质，如低能性、穿透性、指纹谱性等。随着太赫兹波产生和探测技术的发展，太赫兹波以其独特的优势在非电离的生物化学检测方面有着很大潜力。亚波长结构(亦称超材料)一般指该微纳结构的尺寸仅为入射电磁波波长(或共振波长)的十分之一，由于入射电磁波波长远大于超材料物质中基本谐振环单元的尺寸，从而使得入射电磁波只能感应到整个超材料结构的平均效应。即超材料是通过构造宏观无限小的“人工分子或原子”来操控所设计结构的属性，因此它的性质不是主要取决于构成材料的本征性质，而是其人工设计的结构。

传统太赫兹时域光谱(THz-TDS)测量法对相似物质或不同浓度的同种物质进行检测时，会出现谱线重叠、接近，造成不易区分的情况。基于超材料的太赫兹折射率传感器依靠外界物质折射率的变化引起谐振点频率的红移来区分不同的物质和浓度，因此克服了传统THz-TDS方法的缺陷，非常适用于对相似物质或不同浓度物质的检测。

基于LC谐振和偶极振荡模式的超材料，结构设计简单并易于加工，但它们的Q值一般在10以下，不适用于制造出高灵敏度的太赫兹传感器件。为了制造出高Q值的传感器，常用的方法有多个简易谐振环单元的堆叠和嵌套、引入类电磁诱导透明(EIT-like)特性、环形结构上引入开口构造不对称结构等。

电磁诱导透明(EIT)是原子系统中的相干过程，使得原本不透明的介质在吸收区域中诱导出尖锐的透射窗口，同时伴随着强慢光特性和选频特性。然而，EIT的产生需要低温和高强度激光等苛刻的条件，极大地限制了EIT的应用。与传统EIT不同，基于电磁超材料的类电磁诱导透明(EIT-like)在室温下就可获得，不需要苛刻的实验条件。在太赫兹波平面超材料中，EIT-like效应被解释为：由入射太赫兹波在平面超材料表面激发产生的两相干谐振光谱叠加时发生的干涉相消现象使平面超材料对入射太赫兹波呈部分透明，即平面超材料在EIT-like谐振附近对太赫兹波吸收不敏感。基于EIT-like效应的传感器极大地降低了系统的辐射损耗，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更加敏感，增强了器件的传感性能。

目前，已有太赫兹波段超材料传感器灵敏度不够高，难以鉴别某些微量物质或微小浓度物质，限制了传感器的应用。由于传感器的结构形状和尺寸对传感器的性能影响非常大，如何设计出一款结构简单、便于加工、性能稳定的太赫兹超材料传感器，是研究人员需要考虑的重要问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种太赫兹波段超材料传感器。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种太赫兹波段超材料传感器，该传感器包括介质层和附着在所述介质层上的亚波长金属谐振环阵列；其中，所述亚波长金属谐振环阵列包含至少4个谐振环单元，每个所述谐振环单元均包括四边开口的方形开口谐振环和置于所述方形开口谐振环内的方形谐振环；所述方形开口谐振环与所述方形谐振环均可在太赫兹波激励下实现谐振。

可选地，所述方形开口谐振环为一中心对称但轴不对称的四开口谐振环。