CN113670848B - 基于像素化结构的高分辨率宽带太赫兹探测器和探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于像素化结构的高分辨率宽带太赫兹探测器和探测方法，涉及太赫兹物质检测，包括：由太赫兹波高透过率材料制成的基底；像素化超表面阵列结构，设于基底上，超表面阵列结构包括多种尺寸的谐振单元，以便于扩宽响应的光谱范围；介电材料，设于像素化超表面阵列结构与基底之间，介电材料的介电属性能够被调节，以影响谐振单元的共振响应，使得谐振单元的谐振频率发生频移；每一种尺寸的谐振单元的阵列组成一个探测区，探测区中的谐振单元与介电材料组成的结构形成元像素。本发明公开的技术方案能够对未知分析物质的多特征指纹吸收谱进行宽带检测，并实现了器件的高集成和小型化。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹物质检测技术领域，具体而言，涉及一种基于像素化结构的高分辨率宽带太赫兹探测器和探测方法。
背景技术
太赫兹波位于毫米波段和红外波段之间，兼具了光子学与电子学特性。太赫兹波具有非电离、无损伤、高穿透、高分辨率和光谱指纹等特点，使其成为生物医学领域的潜在工具。最近，由于生物化学分析物的太赫兹指纹检测的快速发展，太赫兹传感已经成为生物医学研究和物质检测中一种很有前景的技术。然而，由于缺乏辐射强度较高的太赫兹源，以及太赫兹波的波长和分析物尺寸之间的不匹配，严重影响了太赫兹在物质检测方面的广泛应用。在实现本发明的过程中，申请人发现：微纳光子学利用亚波长共振结构的强近场增强效应来打破这一局限性，亚波长共振结构能够控制光的偏振、相位和振幅等，可用于微纳尺度的光发射、检测、调制、控制和放大；光场在微结构的近场增强可以促进光与物质的相互作用；通过设计并调整结构参数使得结构的共振峰位与要分析物质的特征指纹谱重叠，从而利用近场增强对分析物进行定性识别，然而该方法对结构设计和实验操作精度的要求都非常苛刻。
目前已有的设计和实验方案，存在以下问题：其一，通过设计单一微结构使其共振峰位与分析物的单一指纹重叠实现探测；设计微结构的响应需根据分析物已知的某一特征指纹谱进行，严重限制了探测器在实际中的广泛应用；并且微结构的谐振响应对所处环境介质的折射率变化依赖性极强，因此分析物的厚度、致密度都会直接影响微结构的响应，导致共振峰位要与指纹谱重叠在实验操作上是非常困难的；另外，由于是利用单一峰位进行探测，只能用来检测一种目标物；如果要想检测更多的物质的话，只能改变传感器的结构参数，加工更多的传感器，因而效率低；其二，Hatice Altug课题组为宽谱特征吸收指纹谱的传感探测提供了拓展方法，可以更广泛地应用于复杂的生物测试；但由于光谱和空间信息呈现一一对应关系，当需要测量的光谱信息较宽时，势必会导致传感器的尺寸较大，不利于灵活便捷、尺寸小、高集成器件的设计研究；其三，通过调谐结构参数获得的宽带频谱，分辨率较低，严重影响器件对分析物特征吸收峰的精确测量。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一，公开了一种基于像素化结构的高分辨率宽带太赫兹探测器和探测方法，能够对未知物质的多特征指纹谱进行宽带检测，并实现了器件的高集成和小型化目标，提高了检测精度。
本发明的第一方面公开了一种基于像素化结构的高分辨率宽带太赫兹探测器，包括：由太赫兹波高透过率材料制成的基底；像素化超表面阵列结构，设于基底上，像素化超表面阵列结构包括多种尺寸的谐振单元，以便于扩宽响应的光谱范围；介电材料，设于像素化超表面阵列结构与基底之间，介电材料的介电属性能够被调节，以影响谐振单元的共振响应，使得谐振单元的谐振频率发生频移，其中，每一种尺寸的谐振单元的阵列组成一个探测区，探测区下侧设有介电材料，探测区中的谐振单元与介电材料组成的结构即为元像素，多种尺寸的谐振单元的多个阵列形成多个探测区，多个探测区与介电材料组成多个元像素，以使像素化超表面阵列结构支持宽频段的太赫兹波光谱响应。
在该技术方案中，本发明提供的基于像素化结构的高分辨率宽带太赫兹指纹谱探测器克服了现有探测器只能用来检测一种目标物的缺陷，便于广泛应用，同时对分析物的厚度、致密度容忍度较高，检测效率高。相较于现有的探测器，测量较宽的光谱信息时其体积更小，更便于灵活便捷部署。为了尽可能使传感器器件小型化，在谐振单元间隙处引入介电材料，通过调节介电性质，实现对微结构特征响应的调节。这种可调谐设计实现了由一个单元结构响应多个谱线，改善了移动响应谱线步长仅取决于结构尺寸变化的现状。通过改变介电材料性质进而调节超表面单元结构的电磁响应特性，相较于调节超表面的结构参数，分辨率更高，进而对物质的多指纹谱进行宽谱且精确检测。像素化结构是实现宽谱指纹探测的核心设计，不同尺寸的单元结构阵列形成区域化结构得到步长较大的响应。介电材料被配置为能够调节介电属性，调节的精度决定了探测器的分辨率，从而获得较高的分辨率。
根据本发明公开的基于像素化结构的高分辨率宽带太赫兹探测器，优选地，谐振单元具体包括多个谐振环，根据谐振环的不同尺寸和/或布局形式确定探测器的光谱响应范围。
根据本发明公开的基于像素化结构的高分辨率宽带太赫兹探测器，优选地，所述谐振单元具体包括两个对称设置的开口谐振环，环间留有间距，开口相互远离，以支持环形偶极模式，谐振环的开口处设有介电材料。
在该技术方案中，采用对称开口谐振环的结构作为单元，引入环形偶极模式，其模式与自由空间的耦合极其微弱，较好的降低了结构的辐射损耗，实现了高品质因子的微结构单元设计。
根据本发明公开的基于像素化结构的高分辨率宽带太赫兹探测器，优选地，谐振环的材料为金、银或铝，谐振环的半径能够被调节，以便于在光谱上覆盖目标分析物的范围。
根据本发明公开的基于像素化结构的高分辨率宽带太赫兹探测器，优选地，介电材料为石墨烯，调整介电材料的介电属性的方式具体包括：调节石墨烯材料的费米能级。
在该技术方案中，为了尽可能使传感器器件小型化，在开口谐振环间隙处引入石墨烯，通过调节石墨烯的费米能级，实现对微结构特征响应的调节，调节的精度决定了探测器的分辨率，分辨率明显高于传统的探测器。
根据本发明公开的基于像素化结构的高分辨率宽带太赫兹探测器，优选地，基底为石英基底。
在该技术方案中，类似石英的对太赫兹波具有高透过率属性的材料均可作为基底。
本发明的第二方面公开了一种物质检测方法，用于如上述任一技术方案所公开的基于像素化结构的高分辨率宽带太赫兹探测器，该方法包括：通过太赫兹时域光谱***测试并记录多种尺寸的元像素的谱线，连续调节介电材料的介电属性，记录每次调节后超表面结构的谱线；将待测物转移至超表面结构上，再次测试多种尺寸的元像素的谱线，连续调节介电材料的介电属性，记录每次调节后超表面结构的谱线；通过比较待测物放置前后光谱信息的变化，对待测物进行定性分析；其中，一定尺寸的谐振单元的阵列与对应的介电材料组成探测器的元像素，移入待测物后，元像素反射和透射光谱的显著变化表现为元像素共振峰包络线的衰减和展宽，待测物为单一物质或者混合物质。
根据本发明上述技术方案公开的物质检测方法，优选地，谐振单元的半径支持单独调节，以有目的性的在光谱上覆盖目标分析物的指纹谱范围。
根据本发明上述技术方案公开的物质检测方法，优选地，调节介电材料的介电属性具体包括：调节石墨烯材料的费米能级。
本发明的第三方面还公开了一种物质检测装置，包括：太赫兹时域光谱***以及如上述任一技术方案公开的基于像素化结构的高分辨率宽带太赫兹探测器，其中，基于像素化结构的高分辨率宽带太赫兹探测器被配置为接收太赫兹时域光谱***的太赫兹脉冲。
本发明的有益效果至少包括：
(1)通过布局由不同尺寸单元阵列结构和功能材料(介电材料)组成的元像素，形成像素化超表面；不同元像素之间得到步长较大的响应谱线，覆盖较宽的太赫兹频谱，实现宽谱指纹谱探测。
(2)通过调节功能材料介电属性，对微结构的特征响应调节，使得单元结构的谐振频率发生频移，从而对应多个谱线。这种设计较大程度上的将传感器尺寸减小，实现了器件小型化、高集成，同时也提高了探测分辨率。
(3)借助对称开口谐振环支持的环形偶极模式，增强光与物质的相互作用。环形偶极子模式与自由空间的耦合极其微弱，较好的降低了结构的辐射损耗，可以实现对物质的高灵敏探测。
附图说明
图1示出了根据本发明的一个实施例的基于像素化结构的高分辨率宽带太赫兹探测器的俯视结构示意图。
图2示出了根据本发明的一个实施例的基于像素化结构的高分辨率宽带太赫兹探测器的侧视结构示意图。
图3示出了根据本发明的一个实施例的基于像素化结构的高分辨率宽带太赫兹探测器的谐振环结构示意图。
图4示出了根据本发明的一个实施例的物质检测装置示意图。
图5示出了根据本发明的一个实施例的葡萄糖的宽谱特征指纹吸收谱示意图。
图中：开口谐振环1，介电材料2，石英基底3，电极4，像素化探测器5，被探测物质6，飞秒激光器7、分束镜8、第一反射镜9、延迟线10、第二反射镜11、太赫兹发生器12、第一抛物面镜13、半透半反镜14、第二抛物面镜15、样品16、二维平移样品台17、第三抛物面镜18、二向色镜19、第三反射镜20、太赫兹传感器21、锁相放大器22、计算机23。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。
如图1和图2所示，根据本发明的一个实施例，公开了一种基于像素化结构的高分辨率宽带太赫兹指纹谱探测器5(下文简称像素化探测器5)，包括：开口谐振环1、介电材料2、石英基底3、电极4；介电材料设于开口谐振环与石英基底之间，介电材料被配置为介电属性可调节，以影响谐振单元的共振响应，使得谐振单元的谐振频率发生频移；每一种尺寸的谐振环的阵列组成一个探测区，探测区下侧设有介电材料，探测区中的谐振环与介电材料组成的结构即为元像素。多个探测区与介电材料组成多个元像素，从而形成了像素化超表面阵列结构。其中，谐振环的尺寸和/或布局形式能够确定响应的光谱范围。
根据上述实施例，优选地，开口谐振环对称设置，环间留有间距，开口相互远离，以支持环形偶极模式，谐振环的开口处设有介电材料。
根据上述实施例，优选地，谐振环的材料为金、银或铝任一种，谐振环的半径能够被调节，以便于在光谱上覆盖目标分析物指纹谱的范围。
根据上述实施例，优选地，介电材料为石墨烯，调整介电材料的介电属性的方式具体包括：调节石墨烯材料的费米能级。
h表示石英基底的厚度，被探测物质6置于基于像素化探测器5的表面。像素化超表面阵列的单元结构如图3所示，R1、R2分别为谐振环的内环半径和外环半径；w为两谐振环的间距；θ为单个谐振环开口所对应的圆心角；P1和P2分别为单元结构的短边和长边周期。
根据本发明的一个实施例，还公开了一种物质检测装置，包括：太赫兹时域光谱***以及如上述任一实施例公开的基于像素化结构的高分辨率宽带太赫兹探测器5，其中，基于像素化结构的高分辨率宽带太赫兹探测器5被配置为接收太赫兹时域光谱***的太赫兹脉冲。具体如图4所示，该物质检测装置包括：飞秒激光器7、分束镜8、第一反射镜9、延迟线10、第二反射镜11、太赫兹发生器12、第一抛物面镜13、半透半反镜 14、第二抛物面镜15、样品16(由上述实施例公开的像素化探测器5承载被探测物质6组成)、二维平移样品台17、第三抛物面镜18、二向色镜 19、第三反射镜20、太赫兹传感器21、锁相放大器22、计算机23。物质检测过程包括：飞秒激光器7发射飞秒激光脉冲，飞秒激光脉冲经过分束镜8后分为泵浦光和探测光，泵浦光经过延迟线10，后入射到太赫兹发生器12激发产生太赫兹脉冲，探测光和太赫兹脉冲一同共线入射到太赫兹传感器21上。通过控制时间延迟***来调节泵浦光和探测光之间的时间延迟，最终可以得到待测物质放置前后的反射响应谱线。通过谱线对比，可以对待测物进行定性检测。
如图5所示，示出了有像素化超表面结构时和无像素化超表面结构时葡萄糖的宽谱特征指纹吸收谱，从图中可见，像素化超表面通过增强光与物质相互作用从宽谱上明显的增强了物质的吸收。从而实现了基于像素化结构的高分辨宽带太赫兹指纹谱探测。
根据本发明的一个实施例，公开了一种物质检测方法，用于如上述任一实施例所公开的基于像素化结构的高分辨率宽带太赫兹探测器，该方法包括：
数值模拟不同尺寸共振单元的谐振谱线，使响应在光谱上尽量覆盖较宽的光谱范围；
设计像素化超表面布局，将介电材料和超结构集成到基底上，制作出如上述实施例公开的像素化探测器5；
通过太赫兹时域光谱***测试并记录多种尺寸的元像素的谱线，连续调节介电材料的介电属性，记录每次调节后超表面结构的谱线；
将待测物转移至超表面结构上，再次测试多种尺寸的元像素的谱线，连续调节介电材料的介电属性，记录每次调节后超表面结构的谱线；
通过比较待测物放置前后光谱信息的变化，对待测物进行定性分析；其中，一定尺寸的谐振单元的阵列与对应的介电材料组成探测器的元像素，移入待测物后，元像素反射和透射光谱的显著变化表现为元像素共振峰包络线的衰减和展宽，待测物为单一物质或者混合物质。
在该实施例中，宽的光谱范围主要决定于两个因素：一是不同的开口谐振环的尺寸可以得到步长较大的响应；二是调节功能材料的属性从而影响结构单元的共振响应，使谱线在一定范围内变化。高分辨率特性取决于调节功能材料的精度。像素化超表面由不同区域的元像素组成，元像素由某一固定尺寸的周期单元结构形成，不同的元像素由不同尺寸的单元结构组成。通过该方法能够实现对单种物质的多个特征谱线或者多种混合物质进行精准探测，优化了通过单个特征吸收谱线辨别物质可能造成假阳性的问题。通过介电材料接入电压的改变提高探测分辨率，同时实现了器件的小型化以及对物质高灵敏宽范围多指纹探测。
根据本发明上述实施例公开的物质检测方法，优选地，单元结构的半径支持单独调节，以有目的性的在光谱上覆盖目标分析物指纹谱的范围。
根据本发明上述实施例公开的物质检测方法，优选地，调节介电材料的介电属性的方法具体包括：调节石墨烯材料的费米能级。
根据本发明的上述实施例，本发明通过布局由不同尺寸单元阵列结构和功能材料(介电材料)组成的元像素，形成像素化超表面；不同元像素之间得到步长较大的响应谱线，覆盖较宽的太赫兹频谱，实现宽谱指纹谱探测。通过调节功能材料介电属性，对微结构的特征响应调节，使得单元结构的谐振频率发生频移，从而对应多个谱线。这种设计较大程度上的将传感器尺寸减小，实现了器件小型化、高集成，同时也提高了探测分辨率。借助对称开口谐振环支持的环形偶极模式，增强光与物质的相互作用。环形偶极子模式与自由空间的耦合极其微弱，较好的降低了结构的辐射损耗，可以实现对物质的高灵敏探测。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于像素化结构的高分辨率宽带太赫兹探测器，其特征在于，包括：
由太赫兹波高透过性材料制成的基底；
像素化超表面阵列结构，设于所述基底上，所述超表面阵列结构包括多种尺寸的谐振单元，以便于扩宽响应的光谱范围；
介电材料，设于所述像素化超表面阵列结构与所述基底之间，所述介电材料的介电属性能够被调节，以影响所述谐振单元的共振响应，使得所述谐振单元的谐振频率发生频移；
其中，每一种尺寸的谐振单元的阵列组成一个探测区，所述探测区下侧设有所述介电材料，所述探测区中的所述谐振单元与所述介电材料组成的结构形成元像素，多种尺寸的谐振单元的多个阵列形成多个探测区，多个探测区与所述介电材料组成多个元像素，以使所述像素化超表面阵列结构支持宽频段的太赫兹波光谱响应；
根据所述谐振单元的组成元素的多种尺寸和/或布局形式确定所述探测器的光谱响应范围；
所述谐振单元具体包括两个对称设置的开口谐振环，环间留有间距，开口相互远离，以支持环形偶极模式，所述谐振环的开口处设有所述介电材料。
2.根据权利要求1所述的基于像素化结构的高分辨率宽带太赫兹探测器，其特征在于，所述谐振环的材料为金、银或铝的任一种，通过调节所述谐振环的半径，以便在光谱上覆盖目标分析物指纹谱的范围。
3.根据权利要求1或2所述的基于像素化结构的高分辨率宽带太赫兹探测器，其特征在于，所述介电材料为石墨烯，调整所述介电材料的介电属性的方式具体包括：通过调节加在石墨烯两端的电势差，改变材料的费米能级。
4.一种物质检测方法，用于如权利要求1至3中任一项所述的基于像素化结构的高分辨率宽带太赫兹探测器，其特征在于，包括：
通过太赫兹时域光谱***测试并记录多种尺寸的元像素的谱线，连续调节介电材料的介电属性，记录每次调节后超表面结构的谱线；
将待测物转移至超表面结构上，再次测试多种尺寸的元像素的谱线，连续调节介电材料的介电属性，记录每次调节后超表面结构的谱线；
通过比较所述待测物放置前后光谱信息的变化，对所述待测物进行定性分析；
其中，一定尺寸的谐振单元的阵列与对应的介电材料组成探测器的元像素，移入待测物后，元像素反射和透射光谱的显著变化表现为元像素共振峰包络线的衰减和展宽，所述待测物为单一物质或者混合物质。
5.根据权利要求4所述的物质检测方法，其特征在于，所述谐振单元的半径支持单独调节，以有目的性的在光谱上覆盖目标分析物的指纹谱范围。
6.根据权利要求4所述的物质检测方法，其特征在于，调节所述介电材料的介电属性具体包括：
调节石墨烯材料的费米能级。
7.一种物质检测装置，其特征在于，包括：太赫兹时域光谱***以及如权利要求1至3中任一项所述的基于像素化结构的高分辨率宽带太赫兹探测器，所述基于像素化结构的高分辨率宽带太赫兹探测器被配置为接收所述太赫兹时域光谱***的太赫兹脉冲。
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