一种太赫兹波段超材料传感器制造技术

本发明专利技术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。

A terahertz band metamaterial sensor

The invention requests to protect a terahertz band metamaterial sensor. The sensor consists of a dielectric layer and a sub-wavelength metal array attached to the dielectric layer. The sub-wavelength metal array element consists of a circular resonant ring and a metal bar. The oblique symmetry direction of the circular resonant ring has four openings of the same size. The metal bar is located in the resonant ring and shifts 1 micron upward relative to the center of the resonant ring. An asymmetric structure in the X direction. By introducing structural asymmetry, the EIT-like effect is realized, and the Q-value and sensing performance of the device are improved. The sensitivity of the sensor is measured by the shift of the sharp transmission peak frequency produced by the EIT-like effect in the transmittance spectrum within the change of the unit refractive index.

【技术实现步骤摘要】
一种太赫兹波段超材料传感器
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术的技术方案如下：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。进一步的，所述介质层材料为高阻硅、聚酰亚胺、石英晶体中的一种，厚度为50.0-100.0μm，金属层材料为为金、银、铜中的一种，厚度为0.2-0.4μm。进一步的，介质层材料为高阻硅，厚度为50.0μm，所述金属层材料为金属金，厚度为0.2μm；所述谐振环外半径为24.0μm，内半径为20.0μm，开口为3.0μm；所述金属条长为40.0μm，宽为4.0μm。本专利技术的优点及有益效果如下：当平移距离为0μm时，完美的对称结构激励起明模，其透射率谱表现为偶极子谐振模式；当平移距离为1μm时，打破了器件的完美对称结构，明模诱导明暗模发生强耦合，在0.642THz产生了尖锐的透射峰，实现了类EIT效应，和平移距离为0μm时相比，半峰全宽(FWHM:指透射谱峰高一半处的峰宽度)更窄，提高了器件的Q值，Q值高达92。本专利技术的创新点在于平移金属条后非对称结构的传感器，通过非对称性的引入，实现了电磁诱导透明效应；提高了其Q值，减少了能量损耗；增大了折射率灵敏度，便于实现更精确的传感。该传感器具有结构简单、便于加工、设计巧妙、Q值高和折射率灵敏度高等诸多优势，具有突出的实用性特征和显著进步，适合大规模推广应用。附图说明图1是本专利技术提供优选实施例基于类EIT的太赫兹波折射率传感器平面结构示意图；图2对称结构和非对称结构传感器的透射谱线；图3平移距离d＝0的SRR在谐振点和d＝1μm的ASR在透射峰的电流分布；图4传感器在TE、TM波入射时的透射率谱线；图5基于类EIT的太赫兹折射率传感透射谱线。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例。本专利技术解决上述技术问题的技术方案是：本专利技术的太赫兹波段超材料传感器如图1所示，传感器包括介质层和所述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多个谐振环和金属条组成的结构单元，每个所述谐振环单元整体均为圆形谐振环，且在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。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，提高了器件的Q值。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。图1所示为太赫兹波折射率传感器平面结构示意图。传感器包括四开口金属环1、金属条2。本实施例1以超材料结构单元以140μm阵列在x，y方向周期排列为例加以说明，结构单元由介质层和金属层上亚波长金属阵列组成，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，每个所述谐振环单元整体均为圆形谐振环，且在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。所述介质层材料为高阻硅，厚度为50.0μm。所述金属层材料为金属金，厚度为0.2μm。所述谐振环外半径为24.0μm，内半径为20.0μm，开口为3.0μm。所述金属条长为40.0μm，宽为4.0μm。图2为实施示例1中金属条平移距离分别为0μm和3μm的透射率谱线图，横坐标标注的Frequency表示频率，单位为GHz；纵坐标表注的Transmission表示太赫兹波的透射率谱线。由图可知，当平移距离为0μm时，完美的对称结构激励起明模，其透射率谱表现为偶极子谐振模式；当平移距离为1μm时，打破了器件的完美对称结构，明模诱导明暗模发生强耦合，在0.642THz产生了尖锐的透射本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种太赫兹波段超材料传感器，包括介质层，其特征在于，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(1)和金属条(2)组成的结构单元，所述谐振环(1)用于在太赫兹波激励下实现谐振，金属条(2)用于引入结构的非对称性，实现类EIT效应，所述每个谐振环(1)为圆弧，多个谐振环(1)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(2)位于谐振环(1)中且相对于谐振环的中心上方位置处。

【技术特征摘要】
1.一种太赫兹波段超材料传感器，包括介质层，其特征在于，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(1)和金属条(2)组成的结构单元，所述谐振环(1)用于在太赫兹波激励下实现谐振，金属条(2)用于引入结构的非对称性，实现类EIT效应，所述每个谐振环(1)为圆弧，多个谐振环(1)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(2)位于谐振环(1)中且相对于谐振环的中心上方位置处。2.根据权利要求1所述的太赫兹波段超材料传感器，其特征在于，所述谐振环(1)的个数为4个，所大小相同的开口的个数也为4个。3.根据权利要求1所述的太赫兹波段超材料传感器，其特征在于，所述金属条(2)位于谐振环的中心上方1-4μm位置处。4.根据权利要求3所述的太赫兹波段超材料传感器，其特征在于，所述金属条(2)向上平移，形成...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘武，闫彦君，沈大俊，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50