[发明专利]一种基于连接双半圆环孔洞的高Q值超表面折射率传感器

说明书

本发明公开了一种基于连接双半圆环孔洞的高Q值介质超表面折射率传感器，所述光学折射率传感器主要由介质基底和超表面微结构单元阵列组成，其中介质超表面结构单元阵列由若干个微结构单元组成并在每个介质超表面微单元中心对称刻蚀两个连接半圆环孔洞，两个连接半圆环孔洞的内外圆半径均为R1和R2。光波垂直入射时，该发明的透射谱图中形成一个尖锐的Fano共振可用于折射率传感器。本发明由全介质材料构成，无欧姆损耗，表现出较高的Q值，可用于不同折射率的气体液体的检测。

技术领域

本发明涉及微纳光学传感领域，特别涉及一种基于连接双半圆环孔洞的高Q值超表面折射率传感器。

背景技术

光学折射率传感器被广泛用于物理化学、生物医药、食品加工等方面的折射率测量，受到了研究者们的广泛关注。通常情况下，折射率传感器的灵敏度定义为单位折射率的共振波长变化，即：S＝Δλ/Δn。除此之外，共振腔Q值是另外一个评价光学折射率传感器的重要参数。高Q值的共振器便于检测且更容易实现集成。当下人们对于折射率传感器的研究主要集中在金属基础的等离子体结构中,然而，由于金属结构中自由电子震荡导致了很强的辐射损耗，金属结构的Q值通常较低，这限制了金属基础的等离子体结构器件在纳光子学中的应用。

最近，研究者们将目光投向了基于高折射率材料(硅、锗)的全介质超表面结构中并将其用于光学折射率传感器。超表面是一种由周期排列的超原子构成的二维超材料结构。相比于表面等离子体金属结构，高折射率材料的全介质超表面共振腔结构损耗较小，能够实现超高的品质因子(Q)和极大的局域场增强。同时，该种结构的光场主要束缚在器件内部，有利于增强材料内部光与物质的相互作用。该结构可与COMS工艺兼容的特性也促使其有望实现大规模集成化生产。

综上所述，基于当前光学折射率的研究现状以及高折射率材料全介质超表面的优势，发明人提出一种基于连接双半圆环孔洞的高Q值超表面折射率传感器。

发明内容

本发明提供了一种基于连接双半圆环孔洞的高Q值超表面折射率传感器，该发明由从下至上由介质基底和超表面微结构单元阵列组成，具有较高的Q值，灵敏度和品质因数，满足实际应用中的测量需要，具体描述如下：

一种基于连接双半圆环孔洞的高Q值介质超表面折射率传感器，所述光学折射率传感器主要由介质基底和超表面微结构单元阵列组成，其中介质超表面结构单元阵列由若干个微结构单元组成并在每个介质超表面微单元中心对称刻蚀两个连接半圆环孔洞，两个连接半圆环孔洞的内外圆半径均为R1和R2。

具体实现时，基底材料选用二氧化硅，介质超表面结构材料为单晶硅、多晶硅或者二氧化钛中的一种。

特别地，介质超表面结构的厚度t为200nm～300nm。

进一步地，所述基于连接双半圆环孔洞的高Q值超表面折射率传感器工作在红外波段中的任一波段。

具体实现时，所述的基于连接双半圆环孔洞的高Q值超表面折射率传感器可用于检测环境折射率，如气体、液体及生物传感等方面。

本发明展现的主要优势是：

1.全介质超表面结构，无欧姆损耗，无生物毒性，不易腐蚀变性使用，寿命长。

2.透射谱中产生的Fano共振具有较高的Q值，便于检测和测量。

3.超表面使用半导体介质材料，与COMS技术兼容制造成本低，有望实现大规模集成化生产。

4.本发明所述的折射率传感器可应用到气体、液体及生物传感等相关领域，能为行业实验测量带来极大的便利。

附图说明

图1为本发明一种基于连接双半圆环孔洞的高Q值超表面折射率传感器结构示意图，包括整体结构俯视图、结构单元俯视图和侧视图。

图2为实施实例所述光学折射率传感器在不同待测介质折射率下的透射响应特性。