硅波导增强片上太赫兹振动吸收光谱的器件及方法技术

本发明专利技术公开了一种硅波导增强片上太赫兹振动吸收光谱的器件及方法。该器件从上至下依次是硅波导、苯丙环丁烯介质层和石英衬底，硅波导上开设有贯通至苯丙环丁烯介质层表面的太赫兹入射通道、太赫兹出射通道以及样品承载区；样品承载区位于硅波导的中心，太赫兹入射通道和太赫兹出射通道分别连接在样品承载区的两侧；双锥形长波导沿太赫兹入射通道、样品承载区、太赫兹出射通道平铺于苯丙环丁烯介质层表面。本发明专利技术利用通道波导、中间样品承载区域以及锥形长波导增强周围的局域光场，当分析物处于通道和样品承载区时，增强的光场充分与待测物相互作用，能够显著提高太赫兹吸收光谱强度，该方法具有对太赫兹吸收光谱的适用性。该方法具有对太赫兹吸收光谱的适用性。该方法具有对太赫兹吸收光谱的适用性。

【技术实现步骤摘要】
硅波导增强片上太赫兹振动吸收光谱的器件及方法


[0001]本专利技术属于太赫兹波器件领域，具体涉及一种硅波导增强片上太赫兹振动吸收光谱的器件及方法。

技术介绍

[0002]太赫兹(THz)吸收光谱是一种强大的分析化学工具，可以检测化学和有机分子的分子间振。对这些分子间振动的研究有利于揭示大型生物分子的动力学特征。自由空间吸收光谱是太赫兹光谱学常用的传统方法，已被广泛用来研究材料特性。由于衍射极限和太赫兹波的长波长，在测量过程中需要大量的样品材料。此外，太赫兹波与被测样品之间的相互作用长度受到样品材料可用数量的限制。最后，由于太赫兹源的低功率和自由空间中水汽吸收影响，这类装置具有较低的信噪比，不能够捕获较弱的吸收特征。值得注意的是，虽然通过优化自由空间中的装置，封闭部分装置以及使用干燥气体净化介质可以进一步提升信噪比，但这类方法会增加检测成本以及增大设备体积。在最近的一些研究，通过利用超表面结构中的局域电场，已经提高了自由空间装置的灵敏度。太赫兹波导在传感和光谱学应用中具有广泛的应用。基于波导的太赫兹光谱学使得太赫兹信号在波导中与样本相互作用，与自由空间装置相比有许多优势。首先，需要更少的样本。在基于波导的装置中，波导模态场分布(具有亚波长特征)与样品相互作用，因此，亚波长样品可以与整个模态功率相互作用。其次，由于波在波导内传播，可以获得更好的信噪比。专利1[CN202010839539.1]公布了一种基于表面增强红外吸收光谱的狭缝光波导传感器，利用狭缝波导结构将光限制在低折射率的狭缝中，处于狭缝中的金属天线的缝隙增强了缝隙周围的局部光场，当分析物填充狭缝时，增强的光场充分与待测物相互作用，提高了传感器的灵敏度。此方法由于结构设计和材料的限制，工作在红外波段，无法工作在太赫兹波段。在太赫兹频率范围内，有几种金属波导被用于基于波导的吸收光谱学：单金属线波导、微带线和共面波导和平行板金属波导。虽然这些金属波导减少了所需的样品材料的数量，但随着工作频率的增加，由于在太赫兹频率范围金属波导的固有损耗，它们的性能迅速下降。同时，现有的波导增强结构的增强倍数有限，不能够较大幅度的增强吸收光谱。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于解决现有矩形波导、脊形波导以及金属波导等结构的太赫兹波被限制在介质层、无法与待测物相互作用，且由于金属波导的固有损耗，导致太赫兹吸收光谱灵敏度低的问题，并提供一种硅波导增强片上太赫兹振动吸收光谱的器件及方法。本专利技术利用通道波导、中间样品承载区域以及锥形长波导增强周围的局域光场，当分析物处于通道和样品承载区时，增强的光场充分与待测物相互作用，能够显著提高太赫兹吸收光谱强度，该方法具有对太赫兹吸收光谱的适用性。
[0004]本专利技术所采用的具体技术方案如下：
[0005]第一方面，本专利技术提供了一种硅波导增强片上太赫兹振动吸收光谱的器件，该器
件由不同的功能层叠加而组成，从上至下依次是硅波导、苯丙环丁烯介质层和石英衬底，所述硅波导上开设有贯通至苯丙环丁烯介质层表面的太赫兹入射通道、太赫兹出射通道以及样品承载区；样品承载区位于硅波导的中心，用于承载待测样品，太赫兹入射通道和太赫兹出射通道分别连接在样品承载区的两侧；双锥形长波导沿太赫兹入射通道、样品承载区、太赫兹出射通道平铺于苯丙环丁烯介质层表面，其位于太赫兹入射通道侧的一端作为输入端，位于太赫兹出射通道侧的一端作为输出端；太赫兹波从输入端输入，能够在波导表面产生倏逝波，增强样品承载区中太赫兹波与待测样品的相互作用，作用后的太赫兹波信号从输出端输出。
[0006]作为优选，所述双锥形长波导为双锥形长直波导，沿太赫兹入射通道、样品承载区、太赫兹出射通道直线铺设。
[0007]作为优选，所述双锥形长波导为弯曲波导，位于样品承载区内的波导段呈波浪线形式弯曲。
[0008]作为优选，所述石英衬底的材料为石英，相对介电常数4.45；
[0009]作为优选，所述苯丙环丁烯介质层的材料为苯丙环丁烯，相对介电常数2.45。
[0010]作为优选，所述硅波导和所述双锥形长波导的波导材料为高阻硅，相对介电常数为11.69，电阻率为5kΩ
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cm，厚度均为80～120μm。
[0011]作为优选，所述太赫兹入射通道和太赫兹出射通道均为矩形，宽度为570～590um，长度为4～5mm；所述样品承载区呈矩形，长度为6～8mm，宽度为3～6mm。
[0012]作为优选，所述双锥形长直波导的宽度为170～190um，厚度为80～120um。
[0013]作为优选，所述弯曲波导的弯曲半径为0.9～1.1mm。
[0014]第二方面，本专利技术提供了一种利用如第一方面中任一方案所述器件的多晶α
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乳糖太赫兹吸收光谱测量方法，具体如下：首先，将待测的多晶α
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乳糖加入样品承载区中，与所述双锥形长波导充分接触；然后，将太赫兹波经过透镜聚焦后通过所述双锥形长波导的输入端输入双锥形长波导中，在波导表面形成对应的倏逝波，在波导附近产生电磁增强效应从而增强入射太赫兹波和样品承载区中的α
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乳糖材料的相互作用，在表面等离激元共振频率点附近增强α
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乳糖材料对入射波的吸收，作用后的太赫兹反射信号从双锥形长波导的输出端射出后被检测。
[0015]本专利技术相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
[0016]本专利技术提出的太赫兹吸收谱增强器件结构采用了硅
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苯并环丁烯
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石英结构的波导结构，长波导穿过样品承载区充分与样品接触，利用入射太赫兹波射入波导在波导表面产生倏逝波，倏逝波与样品承载区样品充分作用，利用其电磁增强效应实现对微量样品的增强太赫兹吸收谱检测。此外，通过利用硅基器件的先进制造工艺，可以改变硅
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苯并环丁烯
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石英结构的波导结构，从而进一步增强捕获指纹的强度。本专利技术的吸收谱增强器件结构新颖，测试方法操作便捷，能够利用倏逝波得到局域增强的太赫兹电场，实现生物样品(包括溶液样品)的增强太赫兹吸收光谱测量。
附图说明
[0017]图1为本专利技术的长直波导吸收光谱增强结构示意图；
[0018]图2为本专利技术的弯曲波导吸收光谱增强结构示意图；
[0019]图3为本专利技术两种结构波导吸收光谱对比图。
[0020]图中：1为石英衬底；2为苯并环丁烯介质层；3为硅波导；4为双锥形长直波导；5为太赫兹入射通道；6太赫兹波出射通道；7为样品承载区；8为弯曲波导。
具体实施方式
[0021]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步阐述和说明。本专利技术中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
[0022]如图1和图2所示，在本专利技术的一个较佳实施例中，提供了两种不同的硅波导增强片上太赫兹振动吸收光谱的器件，该器件由不同的功能层叠加而组成，从上至下依次是硅波导3、苯丙环丁烯介质层2和石英衬底1，两种器件中的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅波导增强片上太赫兹振动吸收光谱的器件，其特征在于，器件由不同的功能层叠加而组成，从上至下依次是硅波导(3)、苯丙环丁烯介质层(2)和石英衬底(1)，所述硅波导(3)上开设有贯通至苯丙环丁烯介质层(2)表面的太赫兹入射通道(5)、太赫兹出射通道(6)以及样品承载区(7)；样品承载区(7)位于硅波导(3)的中心，用于承载待测样品，太赫兹入射通道(5)和太赫兹出射通道(6)分别连接在样品承载区(7)的两侧；双锥形长波导沿太赫兹入射通道(5)、样品承载区(7)、太赫兹出射通道(6)平铺于苯丙环丁烯介质层(2)表面，其位于太赫兹入射通道(5)侧的一端作为输入端，位于太赫兹出射通道(6)侧的一端作为输出端；太赫兹波从输入端输入，能够在波导表面产生倏逝波，增强样品承载区(7)中太赫兹波与待测样品的相互作用，作用后的太赫兹波信号从输出端输出。2.如权利要求1所述的硅波导增强片上太赫兹振动吸收光谱的器件，其特征在于，所述双锥形长波导为双锥形长直波导(4)，沿太赫兹入射通道(5)、样品承载区(7)、太赫兹出射通道(6)直线铺设。3.如权利要求1所述的硅波导增强片上太赫兹振动吸收光谱的器件，其特征在于，所述双锥形长波导为弯曲波导(8)，位于样品承载区(7)内的波导段呈波浪线形式弯曲。4.如权利要求1～3任一所述的硅波导增强片上太赫兹振动吸收光谱的器件，其特征在于，所述石英衬底(1)的材料为石英，相对介电常数4.45。5.如权利要求1～3任一所述的硅波导增强片上太赫兹振动吸收光谱的器件，其特征在于，所述苯丙环丁烯介质层(2)的材料为苯丙环丁烯，相对介电常数2.45。6.如...

【专利技术属性】
技术研发人员：金金燕，郭世辉，严德贤，李向军，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：