[发明专利]一种基于超材料的芯片式光谱仪

说明书

本发明公开了一种基于超材料的芯片式光谱仪。所述芯片式光谱仪包含至少一个超材料探测单元，且超材料探测单元数越多，所能分析的频点越多。超材料探测单元包括频率选择结构和光电转换结构。在进行光谱分析时，各超材料探测单元中的频率选择结构对于目标信号中特定频率发生响应，并产生局域电场和磁场；置于局域场中的光电转换结构中的自由载流子因受到洛伦兹力作用而发生定向偏转，从而在其边界形成直流电势差。各超材料探测单元对应于各自的频率，如此便实现了特定光频与特定电信号的对应，完成了频谱分析。本发明芯片式光谱仪实现频率分辨和光电探测一体化，具有结构简单、响应速度快、体积小易集成、响应波段范围大等优点。

技术领域

本发明涉及一种基于超材料的芯片式光谱仪，属于光学电子器件领域。

背景技术

光谱仪作为一种分析光谱成分的工具，广泛应用在食品成分分析、生物检测传感、医疗健康检测、图像频谱分析等方面，其主要包括光谱分辨和光电检测两个方面。当前所采用的光谱仪技术主要有两大类。第一类是基于光栅分光原理结合光电探测器构建的光谱仪，其主要利用光学器件将光谱的不同频率成分汇聚到不同的空间位置，再利用光电探测器捕捉不同空间位置的频谱成分，完成光谱分析；第二类是基于傅里叶变换的光谱仪，其主要包含可移动的迈克尔逊干涉仪构成，利用干涉原理，采集等效的时域信号，再将其进行光电转换后，利用计算机完成傅里叶变换得到光谱信息。现有光谱仪的光谱分辨和光电探测是独立的，因此包含较多部件，使得光谱仪尺寸较大、不利于集成，同时基于现有的探测原理，所覆盖的频段有限，同一个光谱仪仅仅工作在较窄的一段频率内，不具备宽频带通用性。

超材料由于其独特的电磁波响应特性，近年来得到飞速发展。利用超材料的亚波长结构特性，以及对电磁波的频率选择作用，可以实现光谱分辨，同时结合新的光电探测理论，可尝试用其构建一种新式光电光谱仪，实现光谱分辨和光电转换一体化，从而克服现有光谱仪体积庞大、不易集成、工作频率受限、采样时间较长等缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于超材料的芯片式光谱仪，能够实现频率分辨和光电探测一体化，具有结构简单、响应速度快、体积小易集成、响应波段范围大等优点。

本发明所提供的基于超材料的芯片式光谱仪，包括至少一个超材料探测单元；

所述超材料探测单元包括频率选择结构和光电转换结构，且所述光电转换结构位于所述频率选择结构与目标电磁波的谐振作用形成的局域电磁场之中，除此之外，相互之间几何关系没有特殊限制，所述光电转换结构用于目标电磁波(光)到电信号的转换；

所述超材料探测单元整体设于低损耗衬底上。

当所述超材料探测单元工作时，所述频率选择结构对于目标频率范围的电磁波产生谐振响应，在频率选择结构内部产生局域电场和磁场，其局域电场和磁场强度均比入射电磁波的电场和磁场强度有所增强。而目标频率范围外的电磁波不与该频率选择结构产生谐振响应，因此不产生局域电场和磁场增强。所述光电转换结构置于频率选择结构的局域电场和磁场区域之内，在前述局域电场和磁场共同作用下，所述光电转换结构中的自由载流子会由于洛伦兹力的作用而发生运动，其运动分量包含一个直流分量，在该直流分量的作用下，所述光电转换结构中的自由载流子将会发生定向运动，从而在光电转换结构的两端边界处形成异号电荷的积累，产生直流电势差。通过直接记录该直流电势差，便可以计算得到频率选择结构所选择出的频率的电磁波的电场强度，如此便实现了该频率电磁波的探测。

不同的所述超材料探测单元中不同的所述频率选择结构选择出不同的频率成分，并通过各自的所述光电转换结构实现电磁波到直流电势差的转换。将多个不同的所述超材料探测单元的组合，便可以对包含多个频率成份的光波进行频谱分析记录。