宽带增强指纹谱传感器、太赫兹微结构宽带增强指纹谱检测装置及方法制造方法及图纸

本申请提供一种宽带增强指纹谱传感器、太赫兹微结构宽带增强指纹谱检测装置及方法。该宽带增强指纹谱传感器包括衬底及周期性地贴附于衬底的前表面的金属超表面。金属超表面包括沿第一方向排列的多个单元结构，多个单元结构具有不同的周期，每个单元结构包括多个超表面微结构，每个超表面微结构的长轴沿着第二方向，短轴沿着第一方向，第一方向与第二方向垂直。本申请能够实现THz波段的宽带增强指纹光谱检测。谱检测。谱检测。

【技术实现步骤摘要】
宽带增强指纹谱传感器、太赫兹微结构宽带增强指纹谱检测装置及方法


[0001]本申请涉及太赫兹
，尤其涉及一种宽带增强指纹谱传感器、太赫兹微结构宽带增强指纹谱检测装置及方法。

技术介绍

[0002]太赫兹(THz，1THz＝10
12
Hz)波是指介于微波和红外光波之间的一段电磁波谱，频率范围通常定义为从0.1～10THz。由于其光子能量小、非侵入、非电离、光谱指纹特异性和宽带宽等优异性质，在传感探测方面受到了广泛关注，其应用涵盖了国防安全、医疗健康、生化分析等各个领域。THz传感器作为传感检测的核心器件，其相关研究一直受到了人们的广泛关注。人工超表面是一种人工制备的亚波长周期性微结构，对电磁场有强烈的相互作用，通过结构设计可以在THz光谱上表现出强烈的谐振特性，可以显著提高检测灵敏度。传统的THz传感检测一般属于光学折射率传感，即通过微结构传感器谐振峰值位置的频移来反映传感样品折射率变化，这种方法可对传感样品的折射率变化实现高精度传感，实现对传感样品含水量(International Journal of Agricultural and Biological Engineering，11，178(2018))、溶液浓度(Sensors and Actuators B：Chemical，330，129315(2021))、薄膜厚度(Applied Physics Letters，115，151105(2019))等性质的检测。但由于传感器谐振位置为单一频率点，因此只能实现传感样品的单频点检测，反映传感样品的宏观性质，而无法实现传感样品的THz宽带指纹光谱检测。
[0003]THz波和物质之间的相互作用非常复杂，许多物质的能级跃迁系统的特征寿命(ps量级)和能量范围(meV量级)与THz脉冲的典型脉宽和光子能量相匹配，使得许多与物质的分子构型构象及其变化相关的骨架振动和构型弯曲等集体振动
‑
转动模式位于THz波段。这类物质的THz光谱具有很强的指纹特异性，能够直接反映分子的构型构象信息，这对于各种类型的传感样品检测，尤其是具有复杂分子结构的生化传感样品的传感检测非常有利。然而，大多数传感样品在THz波段的特征光谱(如吸收谱、旋光谱等)均非常微弱，难以直接探测，而目前由于缺乏相应的宽带检测传感器和探测技术，THz波段的宽带增强指纹光谱检测还是一个难点。主要困难来源于高灵敏度传感需要超表面传感器结构具有窄带高Q值特性和宽带指纹谱检测之间的矛盾。
[0004]目前，有相关研究通过改变超表面微结构传感器的几何参数(Science，360，1105(2018))或入射光角度(Science Advances，5，eaaw2871(2019))，从而改变传感器的谐振频率位置，实现对各个频率点的特征光谱检测，通过对系列特征光谱取包络来实现宽带增强指纹光谱的检测。该方法可以在保持传感器具有强谐振、高Q值、高传感灵敏度的前提下实现宽带特征吸收光谱检测，但相关研究应用于红外吸收光谱的增强传感，在THz波段的相关研究工作还鲜有报道。
[0005]综上所述，一方面THz技术的飞速发展以及生物化学等领域的迫切需求，对THz传感器提出了更高的性能要求；另一方面，现有的THz传感器只能实现单一频率点的传感，无
法实现宽带增强指纹光谱检测。因此，发展宽带增强指纹光谱传感器及其使用方法有着重要的科研和应用价值。

技术实现思路

[0006]本申请的目的在于提供一种宽带增强指纹谱传感器、太赫兹微结构宽带增强指纹谱检测装置及方法，能够实现THz波段的宽带增强指纹光谱检测。
[0007]本申请的一个方面提供一种宽带增强指纹谱传感器。所述宽带增强指纹谱传感器包括衬底及周期性地贴附于所述衬底的前表面的金属超表面。所述金属超表面包括沿第一方向排列的多个单元结构，所述多个单元结构具有不同的周期，每个所述单元结构包括多个超表面微结构，每个所述超表面微结构的长轴沿着第二方向，短轴沿着所述第一方向，所述第一方向与所述第二方向垂直。
[0008]进一步地，所述多个单元结构的周期沿着所述第一方向逐渐变化。
[0009]进一步地，所述多个单元结构沿所述第一方向的所述周期的尺寸范围为100μm～350μm。
[0010]进一步地，所述金属超表面包括椭圆金属超表面或者矩形金属超表面。
[0011]进一步地，每个所述单元结构中的超表面微结构的长轴和短轴的尺寸均与该单元结构的周期有关。
[0012]进一步地，每个所述超表面微结构的长轴与短轴的比为4～6。
[0013]进一步地，每个所述单元结构中的超表面微结构的长轴为该单元结构的周期的0.8～0.9倍，短轴为该单元结构的周期的0.15～0.2倍。
[0014]进一步地，每个所述单元结构中的超表面微结构的排列方式和排列取向一致。
[0015]进一步地，每个所述单元结构具有沿所述第一方向的长度和沿所述第二方向的宽度，每个所述单元结构的长度为3～5mm，宽度为10～15mm。
[0016]进一步地，所述金属超表面是在厚度为200nm的金膜上刻蚀而成。
[0017]进一步地，所述衬底包括石英玻璃基底。
[0018]进一步地，所述石英玻璃基底的厚度为300～500μm，透射率在90％以上。
[0019]本申请的另一个方面提供一种太赫兹微结构宽带增强指纹谱检测装置。所述检测装置包括太赫兹波发射源、如上所述的宽带增强指纹谱传感器以及位移台，所述宽带增强指纹谱传感器固定于所述位移台上，所述位移台可沿所述第一方向平移，所述太赫兹波发射源用于向所述宽带增强指纹谱传感器的所述金属超表面发射太赫兹波。
[0020]本申请的又一个方面提供一种太赫兹微结构宽带增强指纹谱检测方法。所述检测方法使用如上所述的太赫兹微结构宽带增强指纹谱检测装置进行检测，所述检测方法包括：
[0021]在所述宽带增强指纹谱传感器的金属超表面上添加传感样品，所述宽带增强指纹谱传感器为反射式传感；
[0022]将电场沿所述第二方向振动的线偏振太赫兹波在所述第一方向和第三方向构成的平面内沿与所述金属超表面的法线呈一定角度的方向入射，所述太赫兹波与添加所述传感样品后的所述金属超表面发生谐振，所述第三方向垂直于所述第一方向和所述第二方向；
[0023]沿所述第一方向移动所述位移台来改变所述太赫兹波的入射位置，以使所述太赫兹波与添加所述传感样品后的不同周期的所述单元结构相互作用产生强谐振；
[0024]对每个周期的所述单元结构进行反射谱测量以得到对应于不同周期的单元结构的反射峰值在不同频率位置的传感样品反射谱；以及
[0025]基于所述反射峰值在不同频率位置的传感样品反射谱来实现对所述传感样品的宽带增强指纹谱检测。
[0026]进一步的，所述检测方法还包括：
[0027]预先获得未添加所述传感样品时的对应于不同周期的单元结构的反射峰值在不同频率位置的原始反射谱；及
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种宽带增强指纹谱传感器，其特征在于：包括：衬底；以及金属超表面，周期性地贴附于所述衬底的前表面，所述金属超表面包括沿第一方向排列的多个单元结构，所述多个单元结构具有不同的周期，每个所述单元结构包括多个超表面微结构，每个所述超表面微结构的长轴沿着第二方向，短轴沿着所述第一方向，所述第一方向与所述第二方向垂直。2.如权利要求1所述的宽带增强指纹谱传感器，其特征在于：所述多个单元结构的周期沿着所述第一方向逐渐变化。3.如权利要求2所述的宽带增强指纹谱传感器，其特征在于：所述多个单元结构沿所述第一方向的所述周期的尺寸范围为100μm～350μm。4.如权利要求1所述的宽带增强指纹谱传感器，其特征在于：所述金属超表面包括椭圆金属超表面或者矩形金属超表面。5.如权利要求1所述的宽带增强指纹谱传感器，其特征在于：每个所述单元结构中的超表面微结构的长轴和短轴的尺寸均与该单元结构的周期有关。6.如权利要求4所述的宽带增强指纹谱传感器，其特征在于：每个所述超表面微结构的长轴与短轴的比为4～6。7.如权利要求5所述的宽带增强指纹谱传感器，其特征在于：每个所述单元结构中的超表面微结构的长轴为该单元结构的周期的0.8～0.9倍，短轴为该单元结构的周期的0.15～0.2倍。8.如权利要求1所述的宽带增强指纹谱传感器，其特征在于：每个所述单元结构中的超表面微结构的排列方式和排列取向一致。9.如权利要求1所述的宽带增强指纹谱传感器，其特征在于：每个所述单元结构具有沿所述第一方向的长度和沿所述第二方向的宽度，每个所述单元结构的长度为3～5mm，宽度为10～15mm。10.如权利要求1所述的宽带增强指纹谱传感器，其特征在于：所述金属超表面是在厚度为200nm的金膜上刻蚀而成。11.如权利要求1所述的宽带增强指纹谱传感器，其特征在于：所述衬底包括石英玻璃基底。12.如权利要求11所述的宽带增强指纹谱传感器，其特征在于：所述石英玻璃基底的厚度为300～500μm，透射率在90％...

【专利技术属性】
技术研发人员：张子扬，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：