利用太赫兹波检测薄膜的折射率的元件的制作方法

本发明涉及太赫兹波光电领域，尤其涉及一种利用太赫兹波检测薄膜的折射率的元件。

背景技术：

太赫兹(terahertz，thz)波通常是指频率在0.3-3.0thz(对应波长100-1000μm)内的电磁辐射。在电磁频谱中，太赫兹波位于红外与微波之间。太赫兹波具有很多奇异的特性，比如频带较宽、对介质材料产生高透射性、光子能量较低、而且覆盖许多分子原子的转动和振动频率，被广泛运用于无线通信、安检防暴、无损检测，医学成像等领域。

太赫兹辐射对非极性物质(比如塑料、纸张、布料等)有较强的穿透能力，因此可广泛应用于物质检测。例如检验某种材料真伪，一种常用的检验方式为：将待测材料放置于一对布拉格反射镜中央，用一束频率可调谐的太赫兹连续波照射，通过检测透射信号寻找待测材料的太赫兹波的透射率峰值(以下透射峰)。待测材料的厚度已知的情况下，即可得到待测材料的折射率。通过比较待测材料和对比材料的在太赫兹波段的折射率，即可获得真伪结果。

但是，以上检验方式要求材料的厚度在几百微米至几毫米范围内，这样才有明显的透射峰偏移。当待测材料的厚度在微米/十微米范围时，在上述检验方式下透射峰偏移不再灵敏，因此有必要研发一种新的利用太赫兹波检测薄膜折射率的元件。

技术实现要素：

为了达到上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种利用太赫兹波检测薄膜的折射率的元件，包括：谐振腔和超表面结构，所述超表面结构设置于所述谐振腔内，能够使进入所述谐振腔内的太赫兹波产生强局域电场；其中，当所述元件对待测薄膜进行检测时，所述待测薄膜覆盖于所述超表面结构上。

优选地，所述超表面结构包括阵列排布的多个金属图案层。

优选地，所述金属图案层包括至少两层金属层，所述金属层层叠设置；其中至少两层金属层的材料互不相同。

优选地，所述谐振腔包括相对设置的两个布拉格反射镜以及夹设于两个布拉格反射镜之间的衬底，所述超表面结构形成于所述衬底的面向两个布拉格反射镜之一的表面上；其中，当所述元件对待测薄膜进行检测时，所述两个布拉格反射镜之一在所述衬底上的投影覆盖所述待测薄膜。

优选地，所述布拉格反射镜包括沿朝向所述衬底的方向层叠设置的多个平片组，每个平片组包括第一平片和第二平片，所述第一平片面向所述衬底，所述第二平片设置于所述第一平片的面向所述衬底的表面上。

优选地，所述第二平片中具有通孔，所述通孔在所述衬底上的投影位于所述超表面结构以内。

优选地，所述第一平片和所述第二平片由石英制成。

优选地，所述布拉格反射镜在所述衬底上的投影位于所述衬底以内。

优选地，所述衬底由石英制成。

优选地，所述布拉格反射镜的边沿通过胶水与所述衬底粘结固定。

本发明把超表面结构设置在谐振腔内，利用超表面结构对电磁场的局域增强和对周围环境介质的敏感性，使折射率检测元件在待测薄膜的厚度在微米/十微米级的情况下也能使透射信号的透射峰频率发生偏移，以此检测出待测薄膜的折射率。

附图说明

图1为本发明的检测元件的待机状态的结构示意图；

图2为本发明的检测元件的工作状态的结构示意图；

图3为本发明的检测元件的超表面结构的示意图；

图4为本发明一种示例的超表面结构的示意图；

图5为图4所示的检测元件的测试示意图；

图6为改变金属图案层尺寸时，检测元件透射峰频率的变化率示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

如图1、图2所示，本发明提供了一种利用太赫兹波检测薄膜的折射率的元件，包括谐振腔a和设置于所述谐振腔a内的超表面结构b。所述超表面结构b能够使进入所述谐振腔a内的太赫兹波产生强局域电场。其中，所述谐振腔a包括相对设置的两个布拉格反射镜2以及夹设于两个布拉格反射镜2之间的衬底3，所述超表面结构b形成于所述衬底3的面向两个布拉格反射镜2之一的表面上。优选地，所述超表面结构b的尺寸为16～25mm²，所述衬底3的尺寸为100～400mm²，厚度为80～85μm，材料为石英或蓝宝石。其中，所述衬底3的在太赫兹波段的电磁波吸收系数小于10cm^-1。

参阅图1可知，所述布拉格反射镜2包括沿朝向所述衬底3的方向层叠设置的多个石英材质的平片组。每个平片组包括第一平片21和第二平片22。所述第一平片21面向所述衬底3，所述第二平片22设置于所述第一平片21的面向所述衬底3的表面上。其中，所述第二平片22中具有通孔22a，所述通孔22a形成了空气层，使所述布拉格反射镜2与所述衬底3相互贴合(布拉格反射镜夹持衬底，或用胶水把布拉格反射镜粘在衬底两面的方式)后形成所述谐振腔a。优选地，所述第一平片21和第二平片22的数量分别为4～10片，尺寸为300～400mm²。所述第一平片21的厚度为40～45μm，所述第二平片22的厚度为85～90μm。

进一步地，图3至图5所示，所述超表面结构b包括阵列排布的多个金属图案层1。所述金属图案层1能够改变检测对象的有效介电常数和磁导率，因此尽管待测材料与对比材料之间的折射率差距微小，透射峰也能发生明显的偏移。具体地，如图4所示，作为本发明的一种示例，所述超表面结构b包括矩阵排布的多个金属图案层1，所述金属图案层1的形状为正方形，其尺寸为30μm×30μm，且任意两个相邻的所述金属图案层1之间的间距为5μm。图5示出了本示例的检测元件测试5μm厚度的多个待测薄膜的结果(图中透射率是指太赫兹波对于包含待测薄膜在内的整个检测元件的透射率，每个曲线峰顶端的数值为对应每个曲线的待测薄膜的折射率)。图5中可以看出整个检测元件在透射曲线峰值处的太赫兹波透射率能够达到50％以上，而且还可以得出当待测薄膜的折射率不同时，与透射峰峰位(透射率最高点)对应的太赫兹波频率发生灵敏的偏移。

进一步地，所述金属图案层1包括至少两层层叠设置的金属层，所述金属层的材料为al、ag、cu、au、ti、ni中的任意一种，其中至少两层金属层的材料互不相同。优选地，所述超表面结构b的整体尺寸为16～25mm²。所述金属图案层1的厚度为60～200nm，尺寸为1×10²～1×10⁴μm²，导电率大于4×10⁷s/m，所述金属图案层1优选为由ti层和au层构成的双层结构。

下面通过测试数据来说明金属图案层1的尺寸与太赫兹波透射率之间的关系。

如图6所示，本测试包括3个检测元件。3个检测元件的金属图案层1均为正方形，其中，金属图案层1的尺寸分别为30μm×30μm、20μm×20μm、10μm×10μm，每两个相邻的金属图案层1之间的间距分别为5μm、15μm、25μm。图6中可以得知，随着金属图案层1的尺寸增大，透射峰频率变化率(图6中各曲线的斜率)也增大，这有利于材料微小折射率变化的检测。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。