一种全介电超表面结构、折射率传感器及其生物传感应用

本发明属于全介电超表面结构，具体涉及一种全介电超表面结构、折射率传感器及其生物传感应用。

背景技术：

1、当下，现代纳米光子学的主要目标是在纳米尺度上有效地操纵光的特性，以便在单一紧凑芯片设计中集成多种光学功能，这在超快光开关和光信息处理中有重要意义。高折射率全介电超表面结构已逐渐成为光子学研究者的宠儿。利用对诱导的电磁米氏共振的控制，全介电超表面可以提供对光的高效局限和操纵，这在未来的片上器件设计中有很大的应用潜力。近年来，许多支持法诺共振和磁偶极(md)共振的不同种类全介电超表面结构被研究来约束和操作亚波长尺度下的光。

2、连续体中的束缚态(bic)引起了当今纳米光子学界的极大兴趣，因为它可以在纳米尺度上带来局域电场的剧烈增强。在精心设计的周期结构中，法诺共振的一些特殊情况在共振与自由空间辐射完全解耦时，法诺特征会消失，形成一种“被束缚”的模式：bic。bic也可以描述为具有零谐振线宽度的漏模，这意味着理论上无穷大的q因子。在对称周期性超表面的能带结构中，光锥上方的模式通常是辐射性的，因为它们可以耦合到扩展模式的连续体中。然而值得注意的是，由于外部传播模式和模式轮廓之间的不匹配，一些特定的束缚态甚至可以嵌入光锥上方的γ点。当γ点的工作频率低于衍射极限时，唯一的辐射态是c2对称性下具有奇电磁场的、沿法向入射的平面波。因此，此时γ点的任何偶模都是bic——这称为对称保护(sp-)的bic，其模式轮廓与辐射波没有重叠。一般来说，sp-bic可以转换为准bic，这是一种出现在bic附近的漏模，具有有限但巨大的q因子，可以放大局部光场，并强烈增强局部场和光-物质相互作用。bic机制已在滤波器、激光器、非线性器件和传感器等各种应用中得到讨论。

3、过去几十年来，光学传感引起了极大关注，对于传统的电传感技术，通常需要繁琐的准备和设置。相反，通过原位微创技术，光学传感可以克服侵入性、耗时和昂贵的缺点。在复杂的特定恶劣环境下(例如强电场、大波动或极端温度)具有优势，因为它具有相对坚固且不导电的元件特性。尽管其中一些新方法已被证明在某些领域具有实际用途，但它们仍有一些固有缺陷，例如欧姆损耗高、结构设计复杂和可调谐性低。而作为一种增强光-物质相互作用的独特新机制，bic在全介电超表面中的潜力尚未在光学传感中被充分挖掘。总的来说，提出一种新的无标记、快速或实时、灵敏的基于bic机制的高性能传感方法是必要和紧迫的。

4、基于此，本发明提供了一种全介电超表面结构、折射率传感器及其应用技术手段，来解决上述技术方案的不足。

技术实现思路

1、基于此，本发明提供了一种全介电超表面结构、折射率传感器及其应用，通过引入由于半径不一的两个圆柱形气孔，造成扰动来打破全介电超表面的面内对称性，此结构支持的sp-bic可以转变为准bic，并导致局部电场的巨大增强。

2、进一步地，超表面结构周围的环境中的折射率变化时，其影响将被此强烈增强的局域场放大，并导致光谱的频移，这可用于光学折射率传感。结果表明这种传感具有高灵敏度和优异的传感品质因数。

3、本发明其中一个实施例提供了一种全介电超表面结构，所述全介电超表面结构从下到上依次包括sio2衬底、si层；

4、其中，所述si层上设置有两个圆柱形气孔，

5、所述两个圆柱形气孔垂直贯穿所述si层，

6、所述两个圆柱形气孔的半径r和r，均选自48-52nm，且r和r不相同；

7、所述全介电超表面结构还包括平面波入射光源；

8、所述入射光源的偏振方向与两个圆柱形气孔圆心连线方向相互垂直；

9、所述全介电超表面结构周围的折射率≥1。

10、一般地，在生物传感中，折射率的数值在1-1.5进行变动，这涵盖了大部分生物成分的折射率。

11、为了人为设定本发明中所述的折射率，使得本发明中的透射光谱位置可控地随着折射率变化，我们一般采用在结构上方浇灌待测溶液的方法，例如不同浓度生理盐水、组织液或细胞溶液，来实现折射率的变化。

12、除非另有说明，结构由振幅|e|＝1、沿-z方向垂直入射且沿x方向偏振的平面波激发。

13、进一步地，所述si层的边长l为680-720nm。

14、进一步地，所述si层的厚度h为120-140nm。

15、进一步地，所述sio2衬底的厚度h为180-200μm。

16、本发明还提供了全介电超表面结构在生物传感器、滤波器方面的应用。

17、本发明还提供了一种光学折射率传感器，包括：若干个全介电超表面结构构成的阵列。

18、本发明还提供了上述光学折射率传感器在生物传感方面的应用。

19、本发明所提供的全介电超表面结构、折射率传感器及其应用具有以下有益效果：

20、1、通过引入两个不同半径的圆柱形气孔，来打破s基层的面内对称性，sp-bic可以转变为准bic，并导致局部电场的巨大增强，超表面结构周围的环境/折射率变化时，其影响将被此强烈增强的局域场放大，并导致光谱的频移。通过光谱位置的移动和折射率的变化定义灵敏度，计算得出灵敏度达到139.29nm/riu。根据灵敏度与光谱半高宽的关系计算出传感品质因数高达2136.35riu-1，结果表现出其在下一代纳米光子学应用中的巨大潜力。

21、2、本发明中的增强的电场被局域在每个si层单元的间隙中，不会被局域在si层的内部，故可以在所需空间内得到强局部电场，这克服了如其他结构所具有的缺陷：如由于增强的电场被束缚在结构内部，而外部空间的电场强度较低，使得折射率变化的影响难以被放大，从而导致低灵敏度和传感品质等。

技术特征：

1.一种全介电超表面结构，其特征在于，所述全介电超表面结构从下到上依次包括sio2衬底、si层；

2.如权利要求1所述全介电超表面结构，其特征在于，

3.如权利要求1所述全介电超表面结构，其特征在于，

4.如权利要求1所述全介电超表面结构，其特征在于，

5.如权利要求1所述全介电超表面结构，其特征在于，

6.如权利要求1-5任一项所述全介电超表面结构在传感器、滤波器方面的应用。

7.一种光学折射率传感器，其特征在于，包括：

8.如权利要求7所述光学折射率传感器在生物传感方面的应用。

技术总结
本发明提供了一种全介电超表面结构，其从下到上依次包括SiO<subgt;2</subgt;衬底、Si层；其中，所述Si层上设置有两个圆柱形气孔，所述两个圆柱形气孔垂直贯穿所述Si层，所述两个圆柱形气孔的半径R和r，均选自48‑52nm，且R和r不相同；所述全介电超表面结构还包括平面波入射光源；所述入射光源的偏振方向与两个圆柱形气孔圆心连线方向相互垂直；所述全介电超表面结构周围的折射率≥1。本发明克服了如其他结构所具有的缺陷：如由于增强的电场被束缚在结构内部，而外部空间的电场强度较低，使得折射率变化的影响难以被放大，从而导致低灵敏度和传感品质等。

技术研发人员：聂国政,李宗霖,陈千骏,谢明鑫
受保护的技术使用者：湖南科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/25