[发明专利]一种基于类电磁诱导透明效应的太赫兹波段超材料传感器

说明书

本发明请求保护一种基于电磁诱导透明效应的太赫兹波段超材料传感器。该传感器包括介质层和其上的亚波长金属阵列的超材料，亚波长金属阵列由多个由开口圆形谐振环和开口方形谐振环组合而成。在太赫兹波激励下，单独的开口圆形谐振环和开口方形谐振环分别表现为“亮”模式和“暗模式”；当两谐振环组合，两间距为80.0‑85.0μm时，亮暗模相互耦合，产生破坏性干涉，实现了类EIT效应，在谐振点附近产生了尖锐的透射峰。该传感器利用透射率谱中类EIT效应产生的尖锐透射峰频率在单位折射率变化内平移的量来衡量传感器的灵敏度，实现了400GHz‑800GHz频率范围内的折射率传感功能。

技术领域

本发明属于太赫兹传感器技术领域，具体是一种基于类电磁诱导透明效应的超材料的折射率传感器。

背景技术

太赫兹(Terahertz，简称THz)辐射通常是指频率介于微波和红外波段之间的电磁辐射，是电磁波谱上由电子学向光子学过渡的特殊区域，其频率范围为0.1～10THz。目前，随着太赫兹辐射产生和探测技术的发展，THz在非电离的生物化学传感应用方面有着很大潜力。超材料通常是指自然界中天然媒质所不具备的奇异电磁特性的人工复合结构或复合材料的统称，具有奇特的电磁谐振性质，诸如负折射、异常透射以及介电环境敏感等，且它的性质不主要取决于构成材料的本征性质，而是其人工设计结构。由于超材料具有对外界环境敏感的特性，它的谐振频率依靠于外界介电环境的改变，因此可将超材料用于太赫兹传感技术中，如化学、生物物质的探测等。

基于超材料的太赫兹折射率传感器通常是由于谐振器本身产生较为明显的谐振，然后依靠外界物质的折射率的变化引起谐振点或谐振峰的红移进行探测。

电磁诱导透明(EIT)效应是三能级原子系统中观察到的一种非线性量子效应，使不透明介质在一个窄的光谱范围内广泛吸收，产生透明窗口。基于类EIT效应的太赫兹传感器通过利用超辐射(明模)和亚辐射(暗模)模式之间的干涉，极大地降低甚至完全抑制了系统的辐射损耗，提高了器件的Q值。器件的Q值越高，能量越集中，因而对能量集中区域的场分布变化会更加敏感，从而增强器件的传感性能，为太赫兹波的调控提供了新方法。

目前，国内外太赫兹超材料折射率传感器对于某些微量物质或微小浓度物质的检测灵敏度还不够高，限制了太赫兹传感器的应用。并且目前用于实验测量的太赫兹时域光谱系统的频谱分辨率较低，影响了传感检测的精度。如何设计出结构简单、制备容易、成本较低且适宜批量生产的太赫兹波折射率传感器，是研究人员需要考虑的重要因素。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种提高了其Q值、减少了能量损耗、增大了折射率灵敏度、便于实现更精确的传感的方法。本发明的技术方案如下：

一种基于类电磁诱导透明效应的太赫兹波段超材料传感器，包括：介质层，所述介质层上还依附设置有亚波长金属阵列的超材料层，所述亚波长金属阵列包含多个开口圆形谐振环(1)和开口方形谐振环(2)组成的谐振结构单元，通过谐振结构单元产生的类EIT峰的平移量来衡量传感器的灵敏度。

进一步的，在太赫兹波激励下，开口圆形谐振环表现为“亮”模式，具有大Q值，而开口方形谐振环表现为“暗模式”，具有小Q值，当两谐振环组合，两间距为80.0-85.0μm时，亮暗模相互耦合，产生破坏性干涉，实现了类EIT效应，在谐振点附近产生了尖锐的透射峰，提高了器件的Q值，当金属层上分别覆盖一层不同浓度的分析物时，太赫兹波通过器件的透射谱出现明显的偏移现象，利用类EIT效应产生的尖锐透射峰频率在单位折射率变化内平移的量来衡量传感器的灵敏度，

进一步的，所述超材料层沿着x、y方向周期性排列，开口圆形谐振环(1)和开口方形谐振环(2)的开口数都为1个。

进一步的，所述介质层材料为高阻硅、聚酰亚胺、石英晶体中的一种，厚度为50.0-100.0um，亚波长金属阵列的超材料层为金属层，其材料为为金、银、铜中的一种，厚度为3.0-5.0μm。