[发明专利]一种基于矩形环孔洞的多fano共振超表面折射率传感器

说明书

本发明揭示了一种基于矩形环孔洞连接短接矩形孔洞的多Fano共振介质超表面折射率传感器，所述光学折射率传感器主要由介质基底和超表面微结构单元阵列组成，其中介质超表面结构单元阵列由若干个微结构单元组成并在每个介质超表面微单元中心对称刻蚀一个矩形环孔洞连接短接矩形孔洞，矩形环内方形边长为R，孔洞宽度为w，短接矩形长为L，宽为w，超表面结构厚度为t。光波垂直入射时，该发明的透射谱图中形成三个个尖锐的Fano共振可用于折射率传感器。本发明由全介质材料构成，无欧姆损耗，可用于不同折射率的气体液体的检测。

技术领域

本发明可用于微纳光学传感及集成光学器件领域，具体是一种基于矩形环孔洞的多fano共振超表面折射率传感器。

背景技术

随着纳米加工技术及光电集成产业的发展，纳米量级光学器件的研究设计已经成为一个非常重要的研究方向。因此，发展体积更小、性能优越的新型纳光子器件是当前国际前沿研究中的一个重要热点课题。光学折射率传感器作为一种重要的纳光子器件被广泛用于物理化学、生物医药、食品加工等方面的折射率测量。当下人们对于折射率传感器的研究主要集中在金属基础的等离子体结构中,然而，由于金属结构中自由电子震荡导致了很强的辐射损耗，金属结构的Q值通常较低，这限制了金属基础的等离子体结构器件在纳光子学中的应用。

最近，研究者们将目光投向了基于高折射率材料(硅、锗)的全介质超表面结构中并将其用于光学折射率传感器。超表面是一种由周期排列的超原子构成的二维超材料结构。相比于表面等离子体金属结构，高折射率材料的全介质超表面共振腔结构损耗较小，能够实现超高的品质因子(Q)和极大的局域场增强。同时，该种结构的光场主要束缚在器件内部，有利于增强材料内部光与物质的相互作用。该结构可与COMS工艺兼容的特性也促使其有望实现大规模集成化生产。

Fano共振不同于洛伦兹线性，是一种尖锐的不对称线型，他们起源于独立态和连续带之间的相互干涉耦合。通过在超表面上刻蚀不同的结构形状可以在其透射谱中诱导产生Fano共振。Fano共振尖锐的共振峰方便检测，同时多个Fano共振可以提供多检测点保证结果的准确性。

综上所述，基于当前光学折射率的研究现状以及高折射率材料全介质超表面及Fano共振的优势，发明人提出一种基于矩形环孔洞的多fano共振超表面折射率传感器。

发明内容

本发明展示了一种基于矩形环孔洞的多fano共振超表面折射率传感器，该发明由从下至上由介质基底和超表面微结构单元阵列组成，在其透射谱图中近红外波段出现三个尖锐的Fano共振，具有较好的性能表现，满足实际应用中的测量需要，具体描述如下：

一种基于矩形环孔洞的多fano共振超表面折射率传感器，所述光学折射率传感器主要由介质基底和超表面微结构单元阵列组成，其中介质超表面结构单元阵列由若干个微结构单元组成并在每个介质超表面微单元中心对称刻蚀一个矩形环孔洞连接短接矩形孔洞，矩形环内方形边长为R，孔洞宽度为w，短接矩形长为L，宽为w，超表面结构厚度为t。

具体实现时，基底材料选用二氧化硅，介质超表面结构材料为单晶硅、多晶硅或者二氧化钛中的一种。

特别地，矩形环孔洞连接短接矩形孔洞中填充待测介质，所述待测介质折射率为n。

进一步地，所述的基于矩形环孔洞的多fano共振超表面折射率传感器可用于检测环境折射率，如气体、液体及生物传感等方面。

本发明展现的主要优势是：

1.全介质超表面结构，无欧姆损耗，无生物毒性，不易腐蚀变性使用寿命长。

2.透射谱中产生尖锐的三Fano共振便于检测和测量，同时提供多个检测点。

3.超表面使用半导体介质材料，与COMS技术兼容制造成本低，有望实现大规模集成化生产