一种折射率传感器及探测方法

本发明属于光学测量，更具体地涉及一种折射率传感器及探测方法。

背景技术：

1、折射率传感器是一种利用被测介质折射率变化来测量物质特性和环境的传感器。近年来，随着光学、微电子技术的不断发展，折射率传感器在应用和性能上都得到了很大提升，折射率的主要发展方向为新材料、微纳米加工、mems技术和光纤传感器等。

2、非厄米超表面为折射率传感器的发展带来新的思路和方法，非厄米超表面是一种新型人工微结构，具有突破传统折射率限制的能力。它由多层金属纳米图案构成，可以调节电磁波的相位和振幅。非厄米超表面中存在的奇异点即ep点，在奇异点处非厄米超表面能够实现对光的强烈吸收或反射。当外界物质进入超表面范围内时，其会改变超表面内部的光场分布，导致奇异点处的光场发生变化，从而影响非厄米超表面的光学特性。通过精确测量这种变化所引起的非厄米超表面反射光强变化，可以实现对外界物质折射率的高精度、高灵敏度检测。非厄米超表面奇异点折射率传感在物质检测和传感领域中具有广泛的应用前景。其在化学、生物医学、环境监测等领域中的应用包括检测水中的重金属离子、诊断糖尿病、监测大气中的气体浓度等。与传统的折射率传感技术相比，非厄米超表面奇异点折射率传感具有更高的检测灵敏度和选择性，可以实现对微量物质的快速、准确检测。

3、目前基于非厄米超表面的传感器设置，由于参数调控欠佳，第一方面使得结构存在鲁棒性较差的问题，鲁棒性是指一个系统或结构对于内外部环境变化、干扰或损坏的能力。一个具备鲁棒性的系统或结构可以维持其正常的运行状态或性能，即使受到一定程度的干扰或损坏。相反，若传感器的鲁棒性不佳，则容易导致传感不稳定，难以保证持续传感，并且容易损坏导致后期的维护成本较高。第二方面使得折射率的探测无法实现多波段探测折射率，在不同的物质中折射率的变化就可能不同，若仅使用单一波长进行测量则准确度会下降；有些物质仅在特定的波长下表现出明显的折射率变化，而在其他波长下很少有变化，若仅能使用单一波长进行测量，则对这些物质的折射率进行精确测量可能会有所困难，限制了应用范围；若只使用单一波长进行测量，极有可能会受到其他光学参数的影响，例如散射、吸收等，而这些干扰会对折射率的测量造成误差，从而影响测量的准确性；若仅使用单一波长进行测量，意味着需要多次对同一样本进行测量，以获得更精确的结果，这种检测方式将增加测量时间，从而降低效率。

4、综上所述，目前折射率传感器的结构参数设置有待优化。

技术实现思路

1、基于现有技术中存在的上述缺点和不足，本发明的目的之一是至少解决现有技术中存在的上述问题之一或多个，换言之，本发明的目的之一是提供满足前述需求之一或多个的一种折射率传感器及探测方法。

2、为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种折射率传感器，包括反射底层，以及设置在所述反射底层上方的介质层；还包括多组金属结构，每组所述金属结构均包括均匀贴附于所述介质层上表面的第一金属环、嵌设于所述介质层内部的第二金属环；所述第一金属环设置有第一开口，所述第二金属环设置有第二开口；所述第一金属环以二维阵列排布于所述介质层上表面，所述第二金属环以二维阵列排布于所述介质层内部。

4、通过上述技术方案，设置有所述第一金属环和所述第二金属环，使得电磁场在所述第一金属环和所述第二金属环之间强烈共振。并且设置所述反射底层，使得不同方向的电场分量沿着所述第一开口和所述第二开口方向强烈吸收和反射。构建了二阶非厄米系统，并利用了非厄米超表面中存在的奇异点及奇异点的特性，奇异点处受到外界微扰时数值变化更灵敏。基于本方案的传感器结构，在奇异点处系统参数形成的特征曲面简并在一点，通过施加外界微扰，该简并点会发生非线性分裂，通过构建微扰与非线性分裂的函数关系，即可实现折射率传感。

5、作为一种优选的方案，所述第一开口的设置范围为[15.3μm,16.5μm]；所述第二开口为33μm。

6、通过上述技术方案，需要说明的是本方案入射的是左旋偏振光lcp和右旋圆偏振光rcp，所述第一开口和所述第二开口对左旋偏振光lcp和右旋圆偏振光rcp有选择作用，根据实验数据可知，当所述第一开口处于[15.3μm,16.5μm]范围，并且所述第二开口设置为33μm时，二阶非厄米系统更容易达到奇异点。通过配合其他参数的设置，二阶非厄米系统处于奇异点，在奇异点处能够实现对光的强烈吸收或反射。当外界物质进入超表面范围内时，其会改变超表面内部的光场分布，导致奇异点处的光场发生变化，从而影响超表面的光学特性。通过精确测量这种变化所引起的超表面反射光强变化，可以实现对外界物质折射率的高精度、高灵敏度检测。

7、作为一种优选的方案，所述第一金属环与所述第二金属环的间距设置范围为[19μm,31μm]。

8、通过上述技术方案，当所述第一金属环与所述第二金属环的间距设置处于[19μm,31μm]范围时，二阶非厄米系统更容易达到奇异点。通过配合其他参数的设置，二阶非厄米系统处于奇异点，在奇异点处能够实现对光的强烈吸收或反射。当外界物质进入超表面范围内时，其会改变超表面内部的光场分布，导致奇异点处的光场发生变化，从而影响超表面的光学特性。通过精确测量这种变化所引起的超表面反射光强变化，可以实现对外界物质折射率的高精度、高灵敏度检测。

9、作为一种优选的方案，所述介质层采用聚酰亚胺材料。

10、通过上述技术方案，光在所述传感器中传播，系统会产生损耗，而这个损耗正是构建非厄米系统的关键。

11、作为一种优选的方案，二维阵列在横向上及纵向上的长度的范围均为[140μm,180μm]；二维阵列在横向上的金属结构个数的范围为[6,8]，所述二维阵列在纵向上的金属结构个数的范围为[6,8]。

12、作为一种优选的方案，所述第二开口与所述第一开口存在相对角度差。

13、通过上述技术方案，当二阶非厄米系统达到奇异点时，通过调节所述第二开口与所述第一开口的相对角度差，可以实现多波段探测折射率，这种结构设置增强了折射率判别能力，扩大了应用领域，使用多个波段的信息进行计算可以提高测量精度和稳定性。

14、作为一种优选的方案，多组金属结构中所述第一开口和所述第二开口存在的相对角度差均相等。

15、作为一种优选的方案，所述相对角度差为60°。

16、通过上述技术方案，当二阶非厄米系统达到奇异点时，通过调节所述第二开口与所述第一开口的相对角度差为60°，在0.513thz处可以实现探测折射率。

17、作为一种优选的方案，所述相对角度差为30°。

18、通过上述技术方案，当二阶非厄米系统达到奇异点时，通过调节所述第二开口与所述第一开口的相对角度差为60°，在0.522thz处可以实现探测折射率。

19、第二方面，本发明提供了一种折射率探测方法，包括步骤：

20、s1、对上述任一方案中的一种折射率传感器入射左旋偏振光和右旋圆偏振光，以使得所述传感器处于ep点状态；

21、s2、对处于ep点状态的传感器施加外界微扰，以获得反射光谱图，基于所述反射光谱图计算折射率。

22、通过上述技术方案，不仅可以实现高灵敏度传感，从而实现更精确的探测，还可以实现多波段探测折射率。

23、本发明与现有技术相比，有益效果是：

24、本发明通过上述结构参数设置，构建了能达到多个奇异点的二阶非厄米系统，可以实现对环境折射率的传感效果增强，并且通过调节所述第二开口与所述第一开口的相对角度差，可以在不同频率处实现高灵敏度传感，从而实现多波段探测折射率。本发明基于传感器设置的折射率探测方法，不仅可以实现高灵敏度传感，从而实现更精确的探测，还可以实现多波段探测折射率。

25、进一步地或者更细节的有益效果将在具体实施方式中结合具体实施例进行说明。