[发明专利]一种基于高品质因数全介质超表面的折射率传感器及应用

说明书

本发明公开了一种基于高品质因数全介质超表面的折射率传感器，包括透明衬底以及呈周期性阵列分布于透明衬底表面的超表面结构，该超表面结构采用全介质材料，为亚波长厚度。本发明无金属结构，无欧姆损耗，无生物毒性，不会影响待测对象活性。且利用超表面结构，作用区域短，有望实现高速响应。此外，本发明基于介质材料，例如半导体材料，有利于未来实现CMOS集成。不仅如此，设计理论可以推广至其他波段，例如太赫兹波段，利用高折射率、低损耗的介质超表面结构进行不同工作波段的折射率或生物分子指纹探测。

技术领域

本发明属于光学传感领域，具体是一种基于高品质因数全介质超表面的折射率传感器及应用。

背景技术

利用基于光学谐振的微纳结构实现简单、高灵敏度的折射率传感具有十分重要的应用价值。特别是在进行生物分子探测方面，该方法避免了利用荧光染料标记待测生物分子的复杂操作，而直接测量由于引入待测分子导致的溶液折射率微小变化。越小的折射率探测极限值，意味着可以对更低浓度的分子进行高灵敏度探测。

用于折射率传感的典型光学谐振器件包括基于微流控技术的波导或光纤结构，虽然该类器件具有极高的探测灵敏度，但其加工程序相对复杂，且器件工作区域长度较长(一般在厘米量级)，不利于未来实现高速紧凑的光学集成。

而基于超薄二维超表面结构的折射率传感器因其亚波长尺度的作用距离以及相对应极高的模场增强，可以用于高速以及高灵敏度的折射率探测。而目前采用超表面结构的折射率传感器主要是基于二维金属光栅结构或者高折射率的介质光栅结构。采用金属结构有如下若干方面的局限：其一便是金属结构中的欧姆损耗会导致难以获得高品质因数的光学响应(谐振峰带宽较宽)，从而影响探测极限/灵敏度；其二便是金属结构不利于与现有CMOS工艺集成，且金属具有一定的生物毒性，不利于应用于生物分子探测。而目前采用的高折射率介质二维光栅结构(例如，硅盘结构)，均是基于单谐振模式，调控自由度较低；并且由于材料损耗，均无法在波长1μm以下实现高品质因数的谐振特性，这大大限制了其有效工作带宽以及器件尺寸的进一步缩小。

综上所述，目前还没有便捷而安全的解决方法，能够在工作波长1μm以下的波段实现基于全介质超表面结构的高灵敏折射率传感器。

发明内容

本发明针对上述现有构想与技术的不足，利用全介质超表面结构支持多极子米氏模式，并通过调控其相互干涉激发出存在于入射频带中的高品质因数的准束缚模式，提出了一种基于高品质因数全介质超表面的折射率传感器。

本发明采用了全介质结构，具体解决方案如下：

一种基于高品质因数全介质超表面的折射率传感器，包括透明衬底以及呈周期性阵列分布于透明衬底表面的超表面结构，该超表面结构采用全介质材料，为亚波长厚度。

本发明折射率传感器沿光线传播方向依次包括亚波长厚度的超表面结构、透明衬底；所述的透明衬底主要起支撑超表面结构的作用，对入射光几乎透明，没有吸收；可以选择普通玻璃(SiO₂)、氟化钙玻璃(CaF₂)、透明塑料等；

所述的超表面结构在透明衬底表面呈周期性阵列分布；入射光谐振峰值波长由超表面结构的尺寸和阵列周期决定。

作为优选，所述的超表面由高折射率、低损耗或无损耗的介质材料构成，包括硅、锗等。

通过选择合适的结构尺寸和介质材料，所述的超表面工作波段可以是可见、近红外、中红外或太赫兹波段。其中，以近红外工作波段为例，超表面采用晶体硅，结构高度范围为100-600nm，为亚波长尺度。

入射光照射在超表面结构上，会激发高品质因数的电偶极子和磁偶极子准束缚模式。当衬底折射率与背景折射率相同时，电偶极子和磁偶极子准束缚模式不发生耦合，在特定波长处重合；而当背景折射率发生变化时，电偶极子和磁偶极子准束缚模式因为对称性破坏发生强耦合，透射谷在频域上发生劈裂，且背景折射率与衬底相差越大劈裂越大，该特征可用于高灵敏度地测量背景折射率。