一种基于人工表面等离子激元增强太赫兹吸收谱的器件制造技术

本实用新型专利技术公开了一种基于人工表面等离子激元增强太赫兹吸收谱的器件。该器件包括若干检测模块，每个检测模块由超表面单元结构周期排列而成；每个超表面单元结构为双层结构，下层为介质衬底，上层为金属微结构，金属微结构的顶部超表面用于涂布薄膜状待测物；金属微结构由一个环形金属片和三个内置金属片组成。每个检测模块中超表面单元结构的材料和尺寸完全相同，不同检测模块之间第二矩形金属片的宽度不同，使不同检测模块的超表面单元结构具有不同的谐振频率。本实用新型专利技术基于金属超表面支持的SSP模式，可以实现微量分析物宽带太赫兹吸收光谱增强，通过将一系列几何扫描金属超表面的共振峰连接起来形成包络线，可以建立增强的吸收光谱。强的吸收光谱。强的吸收光谱。

【技术实现步骤摘要】
一种基于人工表面等离子激元增强太赫兹吸收谱的器件


[0001]本技术属于太赫兹波器件领域，具体涉及一种基于人工表面等离子激元增强太赫兹吸收谱的器件。

技术介绍

[0002]太赫兹(Terahertz or THz)波通常是指频率在0.1～10THz区间的电磁波，其光子的能量约为1～10meV，正好与分子振动及转动能级之间跃迁的能量大致相当。大多数极性分子如水分子、氨分子等对THz辐射有强烈的吸收，许多有机大分子(DNA、蛋白质等)的振动能级和转动能级之间的跃迁也正好在THz波段范围。因此，物质的THz光谱(包括发射、反射和透射光谱)包含有丰富的物理质和化学信息，其吸收和色散特性可以用来做爆炸物、药物等化学及生物样品的探测和识别，在物理学、化学、生物医学、天文学、材料科学和环境科学等方面具有重要的应用价值。
[0003]自然界中的表面等离子激元(Surface Plasmon Polariton,SPP)存在于远红外以上的频段，是由空间或介质内电磁场与金属表面区域的自由电子相互作用形成的沿介质
‑
金属表面传播的电子疏密波，可以将电磁能量束缚在很小的亚波长范围内进行传播，在传感和波导等很多方面有巨大应用价值。研究者希望将SPP的优异性能应用到微波、毫米波频段，但由于金属的等离子体频率处于红外和光波段，在微波和毫米波频段，整体金属的行为接近理想导体，不存在表面等离激元模式。近年来学者发现金属表面上通过设计人工周期介质孔阵列结构或开槽结构有效降低了人工金属表面的等离子体频率，从而构建出微波和毫米波频段的人工表面等离激元(SSPs)，其色散曲线和物理特征与光波段表面等离激元的极其相似。相比于自然存在的表面等离激元，SSPs具有两个显著的优点：第一，等离子体频率远低于金属本身的等离子体频率，具有较小的损耗；第二，可以通过改变金属表面的结构参数来灵活控制SSPs的色散特性，进而获得可调控、可重构、智能化的电路、器件或天线，在微波、毫米波和太赫兹波段有巨大的应用价值。
[0004]然而由于存在波矢失配，自由空间平面波直接耦合SPPs或SSPs结构激发等离子激元非常困难。通常采用棱镜耦合、分离金属光栅以及金属尖端耦合等激发方式，但存在耦合结构庞大或效率较低的问题。本技术把金属微结构和人工SSP结构组合到同一个平面，可以通过垂直入射的太赫兹波在金属微结构表面激发表面等离子体波，由于SSPs谐振产生的谐振峰幅度可以随金属结构表面薄膜状微量待测物的吸收谱等比例变化，可以显著增强吸收谱的幅度。

技术实现思路

[0005]本技术的目的在于克服微量待测物太赫兹吸收谱测量方法的不足，以及基于硅材料的微结构加工困难、成本较高的不足，为了提高太赫兹分子指纹谱测量的效率，本技术提供一种基于人工表面等离子激元增强太赫兹吸收谱的器件。本技术利用镶入式二维金属光栅结构激发太赫兹人工表面等离子激元，通过对不同尺寸金属条的超材料单
元的扫描能够显著增强对微量样品的精准检测，可以有效解决上述问题。
[0006]本技术所采用的具体技术方案如下：
[0007]本技术提供了一种基于人工表面等离子激元增强太赫兹吸收谱的器件，其包括若干检测模块，每个检测模块由超表面单元结构周期排列而成；每个超表面单元结构为双层结构，下层为介质衬底，上层为金属微结构，金属微结构的顶部超表面用于涂布薄膜状待测物；金属微结构由一个环形金属片和三个内置金属片组成，所述环形金属片呈矩形环状，其外环矩形与介质衬底顶面的边缘重合；每个所述内置金属片由第一矩形金属片和第二矩形金属片连接而成，且第二矩形金属片的两条短边中，一侧短边与环形金属片的内环矩形长边重合并连接为一体，另一侧短边与第一矩形金属片的一侧短边重合并连接为一体；三个内置金属片等间隔布置于第一矩形金属片内环矩形的同一长边上；
[0008]每个检测模块中超表面单元结构的材料和尺寸完全相同，不同检测模块之间第二矩形金属片的宽度不同，使不同检测模块的超表面单元结构具有不同的谐振频率。
[0009]作为优选，所述介质衬底的介质材料为聚二甲基硅氧烷、聚乙烯或聚四氟乙烯。
[0010]作为优选，所述金属微结构的材料为金、银、铜或铁。
[0011]作为优选，所述介质衬底的长度为230～270um，宽度为180～220um，厚度为450～550um。
[0012]作为优选，所述金属微结构中，环形金属片的外环矩形长度为230～270um，宽度为180～220um，内环矩形的长度为160～200um，宽度为140～160um；每个内置金属片中，第一矩形金属片的长度为40～80um，宽度为20～40um，第二矩形金属片的长度为40～80um，宽度为25～55um；所述金属微结构的厚度为20～30um。
[0013]作为优选，所述检测模块由n
×
n个超表面单元结构以矩形阵列的形式周期排列而成，每个检测模块内的超表面单元结构完全一致。
[0014]作为优选，所述介质衬底的介质材料优选为聚二甲基硅氧烷，相对介电常数为2.35，损耗角正切为0.04。
[0015]作为优选，所述金属微结构的材料优选为铜。
[0016]作为优选，所述器件包含的所有检测模块中，第二矩形金属片的宽度值应覆盖25～55um范围内的均匀采样值。
[0017]本技术相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
[0018]本技术基于金属超表面支持的SSP模式，可以实现微量分析物宽带太赫兹吸收光谱增强，通过将一系列几何扫描金属超表面的共振峰连接起来形成包络线，可以建立增强的吸收光谱。以0.3um厚的乳糖薄膜为例，可以在超宽带太赫兹范围内实现约200倍的吸收增强因子。在利用该超材料对微量分析物进行指纹识别时，不仅能够有效增强微量分析物对太赫兹的吸收，由于其平面微结构的特点，克服了传统超材料结构起伏度大的问题，进一步提升检测精准性和可重复性，以实现微量分析物检测。
附图说明
[0019]图1为基于人工表面等离子激元增强太赫兹吸收谱的器件中超表面单元结构示意图；
[0020]图2为该器件上层金属微结构示意图；
[0021]图3为该器件中检测模块的平面示意图。
[0022]图4为该器件在周期边界下激发金属光栅结构上的人工表面等离子激元的电场分布图，(a)超表面未涂布乳糖薄膜，(b)超表面涂布乳糖薄膜；
[0023]图5为该器件在周期边界下未涂布乳糖薄膜时的透射率与反射率，(a)透射率，(b)反射率；
[0024]图6为该器件在周期边界下涂布乳糖薄膜时的透射率与反射率，(a)透射率，(b)反射率；
[0025]图7为该器件在周期边界下涂有0.3.μm乳糖与放大了200倍未增强的0.3μm乳糖薄膜吸收率对比。
[0026]图中附图标记为：乳糖薄膜1、金属微结构2、介质衬底3。
具体实施方式
[0027]下面结合附图和具体实施方式对本技术做进一步阐述和说明本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于人工表面等离子激元增强太赫兹吸收谱的器件，其特征在于，包括若干检测模块，每个检测模块由超表面单元结构周期排列而成；每个超表面单元结构为双层结构，下层为介质衬底(3)，上层为金属微结构(2)，金属微结构(2)的顶部超表面用于涂布薄膜状待测物；金属微结构(2)由一个环形金属片和三个内置金属片组成，所述环形金属片呈矩形环状，其外环矩形与介质衬底(3)顶面的边缘重合；每个所述内置金属片由第一矩形金属片和第二矩形金属片连接而成，且第二矩形金属片的两条短边中，一侧短边与环形金属片的内环矩形长边重合并连接为一体，另一侧短边与第一矩形金属片的一侧短边重合并连接为一体；三个内置金属片等间隔布置于第一矩形金属片内环矩形的同一长边上；每个检测模块中超表面单元结构的材料和尺寸完全相同，不同检测模块之间第二矩形金属片的宽度不同，使不同检测模块的超表面单元结构具有不同的谐振频率。2.如权利要求1所述的基于人工表面等离子激元增强太赫兹吸收谱的器件，其特征在于，所述介质衬底(3)的介质材料为聚二甲基硅氧烷、聚乙烯或聚四氟乙烯。3.如权利要求1所述的基于人工表面等离子激元增强太赫兹吸收谱的器件，其特征在于，所述金属微结构(2)的材料为金、银、铜或铁。4.如权利要求1所述的基于人工表面等离子激元增强太赫兹吸收谱的器件，其特征在于，所述介质衬底(3)的长度为230～27...

【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：浙江中环检测科技股份有限公司，
类型：新型
国别省市：