一种基于双层谐振结构的液体传感器和光学开关

1.本发明涉及一种可用作液体传感器和光学开关的太赫兹超材料器件，特别涉及一种基于双层谐振结构的液体传感器和光学开关。


背景技术：

2.太赫兹超材料器件由制备在衬底上的金属图案阵列构成。平面太赫兹超材料器件制备简单，在衬底上通过光刻-蒸镀-剥离的方法，制备出金属图案即可。这些金属图案可以与太赫兹光波发生相互作用，在特定频率下形成谐振，在透射光谱上以透射波谷的形式体现出来。开口谐振环是设计太赫兹超材料器件时最常见的单元结构之一。基于开口谐振环的器件，其lc谐振频率由公式决定，其中l和c 分别是器件中的等效电感和等效电容。
3.太赫兹超材料器件可以用于检测表面物质，因为谐振频率公式中的c由谐振环开口处的电容决定，其值和开口处的介电常数呈正比。因此，若被检测物位于开口谐振环的开口处，就可以改变器件的等效电容，引起光谱上谐振频率的变化。但是平面超材料器件由于形成电容的金属层非常薄，且往往开口处下方就是介电常数较大的衬底，被检测物置于其间所带来的电容的改变量甚微，因此在光谱上引起的频移很小。研究人员也为此做了一些努力，比如【optics express,27, 23164(2019)】报道的，将位于开口下方的衬底刻蚀掉，使得被检测物位于开口处时，可以与原先开口附近的空气形成迥然对比，引起较大的谐振频移。然而这种方案不仅需要繁琐的制备工序，其改善后的器件灵敏度也仅为71ghz/riu。值得一提的是，目前基于开口谐振环的太赫兹超材料物质检测传感器，其灵敏度大都低于100ghz/riu。如何进一步提高这类器件的检测灵敏度是一个亟待解决的问题。
4.另一方面，太赫兹超材料也可以用作光学开关。光学开关指的是在某个频率或频段，通过控制方法，显著改变光的强度。体现在太赫兹超材料器件的光谱上，就是在控制条件下，某一频率或频段的透射率或吸收率发生大幅改变。目前的控制手段主要包括：
5.(1)使用相变材料如vo2构造超材料谐振单元，再利用温度控制使其发生相变，改变器件光谱；
6.(2)使用二维材料如石墨烯构造超材料谐振单元，通过电压控制改变其电导率，造成光谱改变；
7.(3)使用光敏半导体构造超材料谐振单元，通过泵浦改变其电导率，造成光谱改变；
8.(4)制备器件结构易变的微机电系统(mems)，利用电压控制改变器件结构的相对位置，从而造成光谱改变；
9.(5)使用柔性材料制备器件，通过器件形变，改变器件光谱。
10.这些方法均有弊端。相变材料、二维材料、光敏半导体价格较为昂贵，集入器件中，要对传统的单层器件制备手段加以革新，加大制备难度；电压控制，需要给器件设计电极或
接线端，同样增大制备难度；激光泵浦需要昂贵的专用设备；mems器件制备难度高，工序复杂；柔性器件同样对制备过程要求较高，且在调节光谱时不容易定量控制。如何在传统的超材料器件制备基础上，找到简单的控制手段，也是亟待解决的问题。


技术实现要素：

11.为了解决上述技术问题，本发明为一种基于双层谐振结构的液体传感器和光学开关，其技术方案为：
12.由双层太赫兹超材料器件构成，该器件由若干个单元结构组成，每个单元结构在x和y方向均以一定的周期无限重复形成阵列；周期取值范围为65～100um；
13.所述每个单元结构由上层和下层组成，上层和下层结构相同，均由石英衬底和制备在衬底表面的金属层构成，该金属层包括外围和与外围一体连接并向内延伸的一个突出部；
14.该突出部形状为t形，沿其延伸方向该金属层为轴对称图形；
15.上层金属层与下层金属层相对布置，且上层金属层的外围与下层金属层的外围在x-y平面的投影重合，上层t形在下层上的投影与下层t形相对布置，且t形顶部横向部分相对；
16.金属层其余部分镂空，可被液体填充；
17.上层与下层之间留有层间距，层间可注入微流体，流体将填充层间全部空间，包括金属层中的镂空部分。
18.进一步地，所述层间距为上层衬底下表面到下层衬底上表面的距离，距离范围为2～20um。
19.进一步地，该金属层的厚度为0.1～1um；外围为正方形，边长l 为60um，t形悬臂长度s为17.5um，悬臂顶部横向部分长度m为20um，其余线宽d为5um。
20.进一步地，用作液体传感器时，太赫兹光波从器件上层上方垂直入射，入射偏振沿y方向，入射光频率范围为0.3～2.1thz。
21.进一步地，用作光学开关时，太赫兹光波从器件上层上方垂直入射，入射偏振沿y方向，入射光频率范围为0.9～2.1thz。
22.进一步地，通过在器件上下层之间注水和排水实现特定频率处光学开关的功能。
23.进一步地，在器件下层衬底的下表面处检测透射光谱。
24.进一步地，该石英衬底厚度范围为300～1000um。
25.进一步地，所述金属为铝。
26.本发明的有益效果为：本发明为一种基于双层谐振结构的液体传感器和光学开关，由双层太赫兹超材料器件构成，上层与下层结构相同，可沿用传统的平面太赫兹超材料的制备工艺分别制得上下层，再组装。该器件在上下层间形成空腔，便于微流体的导入，一方面，可以检测出层间有无液体，或得出层间液体的折射率，从而确定为何种液体，也可用作不同浓度或成分的流动液体的动态检测，检测灵敏度高；另一方面，可通过在器件层间注水和排水的方式，实现特定频段处光学开关的功能。该器件既可在双频段实现高灵敏度的液体检测，也可通过便捷的控制手段，实现高对比度的光学开关调节。本发明器件以简单易行的制备方法，实现了太赫兹超材料器件在高灵敏传感器和宽带光学开关方面的推广应
用。
附图说明
27.图1为本发明单元结构的3d示意图；
28.图2为本发明单层金属层的俯视图；
29.图3为实施例1层间介质为空气和水的透射光谱图；
30.图4为实施例1层间介质为空气和水时，谐振频率随层间距变化的图示；
31.图5为实施例1层间介质为空气和水时，谐振频移随层间距变化的图示；
32.图6为实施例1谐振频率随层间介质折射率变化的图示；
33.图7为实施例2层间距为2，4，6，8um时，层间介质为空气和水的透射光谱图；
34.图8为实施例2层间距为10,12,14,16um时，层间介质为空气和水的透射光谱图；
35.图9为实施例2层间距为16um时，谐振频率随层间介质折射率变化的图示；
36.图10为实施例2层间距为16um时，层间介质为空气和水的透射光谱图。阴影标示的为器件可用作光学开关的两个频段。
37.如图所示，1上层，2下层，3金属层，4镂空部分。
具体实施方式
38.如图所示，本发明为一种基于双层谐振结构的液体传感器和光学开关，本发明由双层太赫兹超材料器件构成，其单元结构如图1所示。上层1和下层2器件完全相同，均由500um厚的石英衬底和制备在衬底表面的铝图案构成，单元结构在x和y方向均以80um的周期无限重复形成阵列。
39.金属图案(即金属层)如图2所示。金属层3厚0.5um。该金属层包括外围和与外围一体连接并向内延伸的一个t形突出部。沿突出部的延伸方向，该金属层为轴对称图形。外围为正方形，边长l为 60um。正方形内左侧一体连接t形突出部，t形悬臂长度s为17.5um， t形顶端横向部分长度m为20um，其余各处线宽d为5um，图案内其余为镂空部分4。这种设计在俯视时，单元结构为太赫兹超材料器件设计中常用的esrr图案。将esrr中的两根悬臂分开到上下两层，有效拉开了开口间距，使开口处电容间的电场分布更广，从而大幅提高了器件的检测灵敏度。使用时，下层金属层朝上，上层金属层朝下，金属图案的正方形外围在x-y平面的投影重合，金属图案内的t形在 x-y平面内的投影相对，器件的层间距(上层衬底下表面到下层衬底上表面的距离)为2～16um。本发明中所有光谱、谐振频率都使用时域有限差分(fdtd)法通过模拟计算求得。
40.实施例1
41.如图3～图6所示。使用时，太赫兹光波从器件上方垂直入射，入射偏振沿y方向，入射光频率范围为0.4～1.0thz，在器件下表面处检测透射光谱。器件上下层之间可以注入液体。通过透射光谱中谐振频率的频移，可以检测出层间有无液体，或得出液体的折射率，从而确定为何种液体。
42.图3展示的是本发明较佳实施例在确定层间距为16um时，器件层间介质为空气和水的透射光谱对比图。可以看到，谐振频率发生了显著的红移。从图中可以读出，频移为188.4ghz。
43.图4展示的是器件层间介质为空气和水的时候，谐振频率随层间距的变化情况。可以看到随着层间距的增大，两种谐振频率都会增大，但层间介质为空气时的上升率更大。当层间距大于12um时，两种谐振频率的上升率都有明显减缓。
44.图5将图4中所示不同层间距时，两种谐振频率之差(即频移) 计算并展示。可见，随着层间距的增大，器件中导入水带来的谐振频移也在逐渐增大。但这种增大在层间距达到12um时基本趋于饱和。最大值发生在层间距是12～16um时，为188.4ghz。
45.图6展示的是，当器件层间距为16um时，层间介质的折射率从 n＝1(空气)逐渐增大到n＝2.1(水)时，由层间介质引起的频移。这代表着层间导入不同的液体时发生的情形。由图可知，器件的谐振频率与折射率高度线性相关。拟合线的决定系数r2值为0.99899.这种线性关系意味着可以根据透射光谱中的谐振频率倒推出层间液体的折射率，从而确定层间为何种液体。线性拟合线的斜率为
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0.17364thz/riu，即意味着器件的灵敏度高达173.64ghz/riu。
46.本发明可沿用传统的平面太赫兹超材料的制备工艺，即通过光刻
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蒸镀-剥离三道工序分别制得上下层器件，再将上下层组合即可。制备方案简单可行。适用于检测折射率在1～2.1之间的液体，适用范围广。光谱中的谐振频率与折射率呈线性相关。检测灵敏度高达 173.64ghz/riu，优于现有的利用lc谐振做折射率传感器的太赫兹超材料器件。器件的设计在层间形成空腔，便于微流体的导入，可用作不同浓度或成分的流动液体的动态检测。
47.实施例2
48.如图7～图10所示，使用时，太赫兹光波从器件上方垂直入射，入射偏振沿y方向，入射光频率范围为0.9～2.1thz.在器件下表面处检测透射光谱。器件上下层之间可以注入液体。通过透射光谱中谐振频率的频移，可以检测出层间有无液体，或得出液体的折射率，从而确定为何种液体。
49.此外，该器件还可以通过注水或排水的方式在1.01～1.26thz， 1.34～1.49thz之间用作光学开关，使这两个频段在光谱上实现交替的通带和阻带。
50.图7和图8展示的是本发明层间距从2um变化至16um时，层间介质为空气和水的透射光谱图。首先，可以看到，光谱中出现了一个类电磁诱导透明(eit)谐振。其次，当层间距小于10um时，类eit谐振的强度随层间距的增大而增大，且层间介质为空气时，谐振发生红移；层间介质为水时，谐振发生蓝移；导致由层间介质的变化带来的谐振频移随层间距的增大而减小。其次，当层间距大于10um时，当层间介质为空气时，谐振几乎不再随层间距发生变化；而层间介质为水时，谐振强度依然随层间距的增大而增大，同时谐振蓝移。但变化幅度较层间距小于10um时变小。这表明，若要利用这一类eit谐振做传感应用，需在谐振强度和谐振频移之间做出权衡。层间距大于 10um时，谐振强度较为明显，制备时，层间距应满足这一条件。下面的讨论均基于层间距为16um，谐振强度较大，而谐振频移相对较小的情况。
51.图9展示的是本发明层间距为16um时，谐振频率随层间介质折射率变化的图示。通过指数函数拟合，可以发现谐振频率与折射率呈指数关系，拟合函数为决定系数r2＝0.9966。由此可知，在透射率从1变化到2.1的过程中，器件的灵敏度最低为 248.27ghz/riu,最大可达652.28ghz/riu。
52.图10展示的是本发明层间距为16um时，层间介质为空气和水的透射光谱图。阴影
标示的是器件可用作光学开关的两个频段。可以看到，当层间介质由空气变成水后，透射光谱在1.01～1.26thz频段由高透射率变为低透射率，而在1.34～1.49thz频段由低透射率变为高透射率。并且，这个过程是可逆的，可以通过往器件层间注水或排水实现。在1.01～1.26thz频段，透射率的变化最小为50％，最大为75％；在1.34～1.49thz频段，透射率的变化最小为25％，最大为45％。
53.本发明可沿用传统的平面太赫兹超材料的制备工艺，即通过光刻
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蒸镀-剥离三道工序分别制得上下层器件，再将上下层组合即可。适用于检测折射率在1～2.1之间的液体，适用范围广。光谱中的谐振频率与折射率呈指数关系，有明确的函数关系可循。检测灵敏度最高可达652.28ghz/riu，优于现有的基于开口谐振环的太赫兹超材料器件。器件的设计在层间自然形成空腔，便于微流体的导入，可用作不同浓度或成分的流动液体的动态检测。本发明用作光学开关时，控制方式简单，通过在器件层间注水和排水实现。可对两个频段同时实现开关控制。频段的带宽最高达0.25thz，调节幅度最高达75％。
54.以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。