[发明专利]基于像素化结构的高分辨率宽带太赫兹探测器和探测方法

说明书

本发明提供了一种基于像素化结构的高分辨率宽带太赫兹探测器和探测方法，涉及太赫兹物质检测，包括：由太赫兹波高透过率材料制成的基底；像素化超表面阵列结构，设于基底上，超表面阵列结构包括多种尺寸的谐振单元，以便于扩宽响应的光谱范围；介电材料，设于像素化超表面阵列结构与基底之间，介电材料的介电属性能够被调节，以影响谐振单元的共振响应，使得谐振单元的谐振频率发生频移；每一种尺寸的谐振单元的阵列组成一个探测区，探测区中的谐振单元与介电材料组成的结构形成元像素。本发明公开的技术方案能够对未知分析物质的多特征指纹吸收谱进行宽带检测，并实现了器件的高集成和小型化。

技术领域

本发明涉及太赫兹物质检测技术领域，具体而言，涉及一种基于像素化结构的高分辨率宽带太赫兹探测器和探测方法。

背景技术

太赫兹波位于毫米波段和红外波段之间，兼具了光子学与电子学特性。太赫兹波具有非电离、无损伤、高穿透、高分辨率和光谱指纹等特点，使其成为生物医学领域的潜在工具。最近，由于生物化学分析物的太赫兹指纹检测的快速发展，太赫兹传感已经成为生物医学研究和物质检测中一种很有前景的技术。然而，由于缺乏辐射强度较高的太赫兹源，以及太赫兹波的波长和分析物尺寸之间的不匹配，严重影响了太赫兹在物质检测方面的广泛应用。在实现本发明的过程中，申请人发现：微纳光子学利用亚波长共振结构的强近场增强效应来打破这一局限性，亚波长共振结构能够控制光的偏振、相位和振幅等，可用于微纳尺度的光发射、检测、调制、控制和放大；光场在微结构的近场增强可以促进光与物质的相互作用；通过设计并调整结构参数使得结构的共振峰位与要分析物质的特征指纹谱重叠，从而利用近场增强对分析物进行定性识别，然而该方法对结构设计和实验操作精度的要求都非常苛刻。

目前已有的设计和实验方案，存在以下问题：其一，通过设计单一微结构使其共振峰位与分析物的单一指纹重叠实现探测；设计微结构的响应需根据分析物已知的某一特征指纹谱进行，严重限制了探测器在实际中的广泛应用；并且微结构的谐振响应对所处环境介质的折射率变化依赖性极强，因此分析物的厚度、致密度都会直接影响微结构的响应，导致共振峰位要与指纹谱重叠在实验操作上是非常困难的；另外，由于是利用单一峰位进行探测，只能用来检测一种目标物；如果要想检测更多的物质的话，只能改变传感器的结构参数，加工更多的传感器，因而效率低；其二，Hatice Altug课题组为宽谱特征吸收指纹谱的传感探测提供了拓展方法，可以更广泛地应用于复杂的生物测试；但由于光谱和空间信息呈现一一对应关系，当需要测量的光谱信息较宽时，势必会导致传感器的尺寸较大，不利于灵活便捷、尺寸小、高集成器件的设计研究；其三，通过调谐结构参数获得的宽带频谱，分辨率较低，严重影响器件对分析物特征吸收峰的精确测量。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一，公开了一种基于像素化结构的高分辨率宽带太赫兹探测器和探测方法，能够对未知物质的多特征指纹谱进行宽带检测，并实现了器件的高集成和小型化目标，提高了检测精度。

本发明的第一方面公开了一种基于像素化结构的高分辨率宽带太赫兹探测器，包括：由太赫兹波高透过率材料制成的基底；像素化超表面阵列结构，设于基底上，像素化超表面阵列结构包括多种尺寸的谐振单元，以便于扩宽响应的光谱范围；介电材料，设于像素化超表面阵列结构与基底之间，介电材料的介电属性能够被调节，以影响谐振单元的共振响应，使得谐振单元的谐振频率发生频移，其中，每一种尺寸的谐振单元的阵列组成一个探测区，探测区下侧设有介电材料，探测区中的谐振单元与介电材料组成的结构即为元像素，多种尺寸的谐振单元的多个阵列形成多个探测区，多个探测区与介电材料组成多个元像素，以使像素化超表面阵列结构支持宽频段的太赫兹波光谱响应。