一种基于亚波长双曲材料的高灵敏度Goos-Hnchen位移气体传感器及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于亚波长双曲材料的高灵敏度Goos

【技术实现步骤摘要】
一种基于亚波长双曲材料的高灵敏度位移气体传感器及制备方法


[0001]本专利技术属于光学科学
，具体涉及一种基于亚波长双曲材料的高灵敏度古斯
‑
汉欣位移位移气体传感器及制备方法。

技术介绍

[0002]光学传感器在临床诊断、环境监测、生物医学等诸多领域有着广泛的应用前景。其具有抗电磁干扰、多通道检测、遥感等优点，且灵敏度高、无标签、实时监测等优点受到广泛研究。普通的光学气体传感器的灵敏度较低，无法精确的实时诊断和监测。古斯
‑
汉欣位移自从被发现以来一直是研究的热点。人们一直致力于研究怎样可以获得较大的位移，随着各种材料被发现，位移的特性也相继被发现。有人研究发现光子晶体禁带中也存在位移，并给出了理论解释，以及在二维光子晶体中发现了负的位移。随着超材料被发现，位移在超材料表面的特性被广泛研究。为了获得较大的位移，满足光学气体传感器灵敏度高的需求，由此，针对位移的特性我们提出了一种基于亚波长双曲超材料的高灵敏度位移气体传感器的制备方法。

技术实现思路

[0003]针对普通光学气体传感器现有技术存在的不足，本专利技术的首要目的在于提供一种基于亚波长双曲材料的高灵敏度位移气体传感器。
[0004]本专利技术的另一目的在于提供一种基于亚波长双曲材料的高灵敏度位移气体传感器的制备方法。
[0005]为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]一种基于亚波长双曲超材料的高灵敏度位移气体传感器，双曲超材料采用金属银和电介质二氧化钛交替层组成，入射区背景介质为氦气，出射区背景介质为空气。
[0007]上述技术方案中，所述的双曲超材料中金属银的厚度为d
Ag
＝42nm。
[0008]上述技术方案中，所述的双曲超材料中电介质二氧化钛的厚度为
[0009]上述技术方案中，所述的入射区背景介质氦气的折射率为n
He
＝1.000032。
[0010]上述技术方案中，所述的出射区背景介质空气的折射率为n
air
＝1.000265。
[0011]一种基于亚波长双曲超材料的高灵敏度位移气体传感器的制备方法，包括如下步骤：
[0012]步骤一：基于TM波设计气体传感器；
[0013]步骤二：探究位移在入射角、入射波长、背景介电常数以及填充因子的增强特性；
[0014]步骤三：基于步骤二得到的位移的特性，选取可以得到最大位移的入射角θ＝69.25deg，入射波长为λ＝342nm以及填充因子为 f＝0.28的条件；
[0015]步骤四：基于步骤三的条件入射，并在入射区充入氦气可以得到灵敏度为 S＝1.59
×
109nm/RIU的气体传感器。
[0016]本专利技术的原理：根据Drude模型可计算出金属银和电介质的介电常数；基于有效介电常数，可以计算出双曲超材料的垂直和平行方向介电常数表达方式；根据菲涅耳公式，可以得到横向电磁波的反射系数表达式；基于以上理论和稳态相位法，可以得到位移的表达式，为制备亚波长双曲超材料的高灵敏度位移气体传感器提供了理论基础。
[0017]本专利技术的优点效果：
[0018]1、本专利技术采用由金属和电介质交替组合而成的双曲超材料结构，不仅提高了光学气体传感器灵敏度，而且具有相对容易加工、宽带非共振、三维块体响应以及灵活的波长可调谐等优点。
[0019]2、本专利技术通过调整入射波长直接改变其方向，同时，通过限定临界波长、填充因子和背景介电常并结合位移的强度和方向特性，在入射区背景介质处充入氦气，可以设计出灵敏度高达1.59
×
109nm/RIU的气体传感器，便于空气质量的检测。
附图说明
[0020]图1为亚波长双曲超材料的高灵敏度位移气体传感器的结构示意图；
[0021]图2为在不同入射波长下亚波长结构位移随入射角的变化的曲线图；
[0022]图3为在亚波长双曲超材料表面最大位移随入射波长的变化曲线图；
[0023]图4为填充因子f和背景介电常数ε对亚波长双曲超材料的位移的影响曲线图；
[0024]图5为在不同气体下的位移的曲线图。
具体实施方式
[0025]下面结合附图对本专利技术做进一步详细的描述。
[0026]图1为亚波长双曲超材料的高灵敏度位移气体传感器结构图，结构图中双曲超材料是由金属银和电介质二氧化钛交替组合而成，其中输入处背景为氦气，输出处背景为空气。
[0027]所述双曲超材料中，金属银的厚度为d
Ag
＝42nm，电介质二氧化钛的厚度为
一束TM波以入射波长为λ＝342nm，入射角度为θ＝ 69.25deg入射到背景为氦气的双曲超材料表面，可以得到高灵敏度位移气体传感器的制备。
[0028]图2中a是入射波长为λ＝360nm，填充因子为f＝1，即结构中只有二氧化钛材料，可以得到最大的位移为
‑
0.19μm。
[0029]图2(b)是入射波长为λ＝360nm，填充因子为f＝0.28，结构是由金属银和二氧化钛交替组成，可以得到最大的位移为
‑
43.20μm。本实施方式中入射波长在300nm到375nm之间为I型双曲超材料。
[0030]图2(c)是入射波长为λ＝500nm,填充因子为f＝0.28,结构为双曲超材料不变，可以得到最大的位移为
‑
2.19μm。
[0031]图2(d)是入射波长为λ＝750nm,填充因子为f＝0.28,结构为双曲超材料不变，可以得到最大的位移为
‑
0.45μm。
[0032]由图2可知I型双曲超材料满足光学气体传感器灵敏度高的需求。
[0033]图3是在图2(b)的基础上探究入射波长对位移的影响，可以看到在入射波长310nm到370nm范围内位移先增大后减小，偏移方向由正变为负。其次，我们发现在正、负位移之间存在一个临界波长(约340nm)。当入射波长小于临界波长时，位移为正，反之为负。此外，入射波长越接近临界波长，位移越大。最佳金属层厚度由谐振模式下的内损耗与辐射损耗的关系决定。当内部损失大于(小于) 辐射损失时，位移为负(正)，两者差值越小，位移越大。图3为我们选择最优提供了思路。
[0034]图4中可以看到填充因子f和背景介电常数ε对位移是有影响的。在图4(a)中，入射波长小于临界波长，可以发现正的位移随着填充因子的增加而增加，负位移随f的增大而减小。在图4(b) 中，入射波长大于临界波长，可以看到负位移随着填充因子的增加而减小。由此我们知道填充因子通过影响双曲超材料介电系数间接影响位移。
[0035]在图4(c)和图4(d)中，入射波长λ＝320nm小于临界波长，此时可以看到正位移首先随着背景介电常数ε的增加而增加，负位移随ε的增大而减小。而当入射波长为λ＝344nm大于临界波长时，可以看到负位移随入射波长背景介电常数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于亚波长双曲材料的高灵敏度位移气体传感器，其特征在于：双曲超材料由金属银和电介质二氧化钛交替层组成，入射区背景介质为氦气，出射区背景介质为空气。2.根据权利要求1所述的一种基于亚波长双曲材料的高灵敏度位移气体传感器，其特征在于，所述的双曲超材料中金属银的厚度为d
Ag
＝42nm。3.根据权利要求1所述的一种基于亚波长双曲材料的高灵敏度位移气体传感器，其特征在于，所述的双曲超材料中电介质二氧化钛的厚度为d
Tio2
＝108nm。4.根据权利要求1所述的一种基于亚波长双曲材料的高灵敏度位移气体传感器，其特征在于，所述的入射区背景介质氦气的折射率为n
He
＝1.000032。5.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏曼丽，吴迪，刘思彤，李润华，马季，
申请(专利权)人：辽宁石油化工大学，
类型：发明
国别省市：