[发明专利]一种互补型结构的太赫兹超材料传感器

说明书

本发明提供了一种互补型的太赫兹波段超材料传感器。该传感器括介质层和介质层上依附的亚波长金属阵列的超材料，亚波长金属阵列包含被挖空的一个竖直空气条和两个水平空气条，与金属层形成了互补结构。每个所述竖直空气条置于结构单元中心，所述的两个水平空气条分别位于竖直空气条的两侧，右侧空气条相对于左侧水平空气条有向下40‑45μm的平移。通过右侧水平空气条的平移，打破了结构的对称性，实现了类EIT效应。又由于互补结构的实现，使其器件的Q值和传感性能大大提高。实现了400GHz‑900GHz频率范围内的高灵敏的折射率传感。

技术领域

本发明属于一种太赫兹传感器技术，具体是一种互补型结构的超材料折射率传感器。

背景技术

太赫兹(Terahertz，简称THz)辐射通常是指频率介于微波和红外波段之间的电磁辐射，是电磁波谱上由电子学向光子学过渡的特殊区域，其频率范围为0.1～10THz。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。超材料通常是指自然界中天然媒质所不具备的奇异电磁特性的人工复合结构或复合材料的统称，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。由于超材料具有对外界环境敏感的特性，它的谐振频率依靠于外界介电环境的改变，因此可将超材料用于太赫兹传感技术中，如化学、生物物质的探测等。

基于超材料的太赫兹折射率传感器通常是由于谐振器本身产生较为明显的谐振，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。

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。

目前现有的太赫兹波段超材料传感器的结构有对称结构，也有非对称结构，但基于类电磁诱导透明效应原理的大多数都是非对称结构。本发明考虑到进一步提高传感性能，在非对称结构上引入互补性，使得待测物质更好地与传感器的传感部分接触，从而提高传感的灵敏度。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种方法。本发明的技术方案如下：

一种互补型结构的太赫兹超材料传感器，可用于微量液体的检测，其包括：介质层和附在所述介质层上的亚波长金属层，所述介质层用于支撑金属层，构成谐振腔，述亚波长金属层上设置有超材料的亚波长金属阵列，超材料的作用在于利用其对外界环境敏感的特性，用于对折射率的传感；所述亚波长金属层的阵列包含在金属层上被挖空的一竖直空气条和两水平空气条，两水平空气条分别为左侧空气条和右侧空气条，所述竖直空气条处于金属层中心位置，所述两个水平空气条分别位于竖直空气条的两侧，右侧空气条相对于左侧空气条有向下40.0-45.0μm的平移，形成非对称结构，明模诱导明暗模发生强耦合，产生了尖锐的透射峰，实现了类EIT效应，由于空气条是在金属层上被挖空形成的，所以竖直空气条和两水平空气条与亚波长金属层形成了互补结构。

进一步的，所述超材料亚波长金属阵列沿着x、y方向周期性排列。

进一步的，所述产生尖锐的透射峰是在844.4GHz处产生的。