[发明专利]一种基于超表面和铌酸锂混合结构的片上太赫兹传感增强器件

说明书

本发明公开了一种基于超表面和铌酸锂混合结构的片上太赫兹传感增强器件。其目的在于对微量生物化学物质进行高灵敏度检测。通过调节金属天线的长度和介质层二氧化硅的厚度，实现在更宽的频率范围内对不同药品的探测。采用的方案是：将天线阵列超表面镀在沉积了二氧化硅层的亚波长铌酸锂波导表面，然后在超表面上方涂抹薄层化学药品。通过激发天线局域表面等离子体，从而增强物质对特征频段光的吸收，实现对物质的高灵敏探测。本发明解决了由于样品体积小，与光场作用弱，而造成信号微弱的问题。本发明具有装置简易，体积小，测量种类多，高灵敏度，便于操控等显著特点，广泛适用于生物化学、医学等领域对微量物质的太赫兹特征波谱的传感探测。

技术领域

本发明涉及一种片上太赫兹传感增强器件，特别适用于对微量生物化学药品的太赫兹特征吸收谱检测。

背景技术

太赫兹波段(0.1THz至10THz)是处于微波和红外间的电磁波段，有许多优良性质，例如：太赫兹波穿透性强；光子能量较低(4meV/THz)，不会对生物组织造成光电离损伤；许多生物大分子和化学制品在太赫兹波段有明显的特征吸收峰。因此，利用太赫兹特征谱检测生物化学以及毒品大分子等物质，可广泛应用于生物医学和传感探测等领域。目前，国内对太赫兹频段的探测器件的研究相对较少，由于探测物质尺度很小、探测信号强度较弱等因素的限制，有效的太赫兹传感器需求迫切。因此，太赫兹波段的高灵敏度、微型化探测器件将具有非常广阔的发展前景。

发明内容

本发明旨在于太赫兹平台上，将金属天线阵列沉积在镀有二氧化硅的亚波长铌酸锂波导表面，利用超表面束缚光场能量到混合结构表面从而增强与表面物质的相互作用，从而增强微量化学药品的太赫兹特征吸收检测。

为实现上述目的，本发明采用的方案是：

(1)采用数值计算，模拟不同长度天线的共振峰；

(2)在0.5μm-100μm厚的亚波长铌酸锂波导表面镀一层0.1μm-5μm厚的低折射率的介质层，来提高天线的共振频率，介质层的材料属性为二氧化硅、氟化镁；

(3)采用紫外光刻技术、磁控溅射技术将金属天线阵列沉积到镀有一定厚度二氧化硅的铌酸锂表面，制作出片上太赫兹传感增强器件；

(4)处理实验所用药品，并将药品移到器件表面；

(5)飞秒激光器开启，将产生的脉冲通过分束镜分成两束：泵浦光，探测光；

(6)其中泵浦光经过延迟线，再经过柱透镜线聚焦于铌酸锂表面，产生沿波导传输的太赫兹波；

(7)波导模式激发金属天线的局域表面等离子体，两者之间发生强耦合，波导能量部分转移到了波导表面，从而增强了波导表面的电场强度；

(8)确定天线长轴方向的周期，相邻天线增强的局域电场彼此之间耦合，使得在耦合电场区域，电场强度进一步增强；

(9)耦合区域较强的电场与所要探测的化学药品相互作用，增强了探测物质对特征频率能量的吸收；

(10)结合太赫兹片上平台，被检测物质在沿波导模式的传输方向上有较长的、与表面较强电场相互作用的距离，更进一步增强了对特征能量的吸收；

(11)探测光经BBO倍频晶体、小孔系统滤波整形，垂直入射器件表面，太赫兹在铌酸锂波导内传输并引起了折射率改变，由于光克尔效应和光折变效应，将折射率变化信息以相位变化信息的形式记录，经过4f透镜组成的系统，将相位信息转化为强度信息，在CCD上获得时域瞬态脉冲信号，接着对时域信号做快速傅里叶变换，得到频域信息，分析频谱就可以明显地观察出特征吸收峰，实现了利用时域分辨系统得到频谱信息，进而实现对待测化学药物的特征探测。

其中，步骤(2)中亚波长铌酸锂波导的材料属性为片状铁电晶体，其厚度为0.5μm-100μm，介质层的材料属性为二氧化硅、氟化镁，其厚度为0.1μm-5μm。