基于一维缺陷光子晶体增强太赫兹吸收谱的器件及方法

本发明属于太赫兹，具体涉及一种基于一维缺陷光子晶体增强太赫兹吸收谱的器件及方法。

背景技术：

1、太赫兹吸收光谱可广泛应用于分子指纹测量、生物医学、安全检测等领域。由于受到太赫兹波数百微米波长的限制，在传统的吸收光谱检测系统中需要使用大量的分析样品。然而，较多的样品数量会影响太赫兹波与被分析物质之间相互作用的效果。在实际应用中，需要对微量样品的太赫兹吸收光谱特性进行测量和分析。

2、为了提高太赫兹吸收光谱检测的性能，研究人员使用了各种波导结构和超表面结构来提供局域电场强度。已经设计了多种超光栅或者超表面结构来改善微量分析物的太赫兹吸收光谱。基于上述结构，利用不同入射角的入射波或者不同几何参数的单元结构可以获得不同的谐振模式。通过连接一系列共振峰的包络线，可以得到薄膜分析物的增强吸收光谱。专利202111662619.5公开了一种基于角度复用的太赫兹指纹检测的倒置光栅传感器，通过预设角度的光源扫描，最终可实现痕量分子的宽谱指纹增强检测。此专利需要工作在反射条件下，用很小的变化来改变入射电磁波的入射角度，在实际应用中会增加系统的复杂性和操作难度。专利202210775308.8公开了一种基于人工表面等离子激元增强太赫兹吸收谱的器件及方法，基于金属超表面支持的ssp模式可以建立增强的吸收光谱。但这种方法需要制备一系列厚度和分辨率变化非常小的各种单元结构，在实际应用时不易实现。

3、一维缺陷光子晶体(1d-pc)结构作为电场局域的重要手段之一，已经被广泛应用于太赫兹波段折射率传感。通过改变缺陷间隙宽度，可以很容易的调整高质量(q)因子谐振峰，在增强太赫兹波-材料相互作用方面具有巨大的潜力。

技术实现思路

1、目前应用于太赫兹波段的传感大多使用折射率传感，无法实现对样品的宽带吸收光谱检测。而在现有的太赫兹吸收光谱增强检测技术中，常见的使用不同入射角的入射波或者不同几何参数的单元结构可以获得不同的谐振模式，从而得到增强的太赫兹吸收光谱。上述角度复用或者几何尺寸复用的方法对器件系统及操作的要求较高，不利于实际应用。

2、为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于一维缺陷光子晶体增强太赫兹吸收谱的器件及方法，以实现微量样品的较强的太赫兹-物质相互作用。本发明基于法布里-珀罗共振效应，通过改变光子晶体缺陷腔的长度，可以提高薄膜样品中的局部电场，从而显著地增强样品指纹谱的宽带信号，避免使用不同的电磁波入射角度或者加工不同尺寸的单元结构。

3、本发明所采用的具体技术方案如下：

4、第一方面，本发明提供了一种基于一维缺陷光子晶体增强太赫兹吸收谱的器件，其包括两个相同的布拉格反射结构，且在两个布拉格结构之间具有一个由空气填充的缺陷腔；每个所述布拉格反射结构由两种不同折射率的材料层交替排列而成，且最外层均为高折射率层，两层高折射率层之间通过支撑条隔开后填充低折射率层；

5、两个对称布置的布拉格反射结构和中间的缺陷腔构成法布里-珀罗谐振腔，且缺陷腔的中间位置放置有用于承载薄膜分析物的有机聚合物衬底；两个布拉格反射结构中各材料层和有机聚合物衬底均保持平行且垂直于太赫兹波入射方向，太赫兹波从缺陷腔一侧的布拉格反射结构入射并通过缺陷腔之后，从缺陷腔另一侧的布拉格反射结构出射。

6、作为上述第一方面的优选，每个所述布拉格反射结构中高折射率层和低折射率层的总层数为n，优选的n＝5。

7、作为上述第一方面的优选，所述布拉格反射结构中，高折射率层的材质为硅介质，低折射率层的材质为空气。

8、作为上述第一方面的优选，所述高折射率层的厚度为280～340um，低折射率层的厚度为50～90um。

9、作为上述第一方面的优选，所述缺陷腔太赫兹波入射方向的长度为100～350um，且所述器件优选放置在位移平台上使所述缺陷腔的长度可精确调整。

10、作为上述第一方面的优选，所述布拉格反射结构中，支撑条的材质为硬质材料，优选为石英。

11、作为上述第一方面的优选，所述有机聚合物衬底的材质为特氟龙材料。

12、作为上述第一方面的优选，所述有机聚合物衬底的厚度为5～15um。

13、作为上述第一方面的优选，所述薄膜分析物的厚度为0.1～1um，薄膜分析物优选为α-乳糖薄膜。

14、第二方面，本发明提供了一种利用如上述第一方面任一方案所述器件的α-乳糖增强太赫兹吸收光谱测量方法，其具体做法为：首先将α-乳糖薄膜均匀涂覆在有机聚合物衬底上形成薄膜；然后，将太赫兹波从缺陷腔一侧的布拉格反射结构入射，通过缺陷腔之后从缺陷腔另一侧的布拉格反射结构出射，不断调整缺陷腔太赫兹波入射方向的长度进而改变谐振频率，在不同缺陷腔长度下通过探测太赫兹波透射谱和反射谱得到不同谐振频率对应的吸收谱；将不同谐振频率对应的吸收谱谐振峰连接形成包络线，从而建立α-乳糖的增强吸收光谱。

15、本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

16、本发明提出一维缺陷光子晶体增强太赫兹吸收谱的器件及方法，基于1d-pc结构缺陷谐振腔高q的谐振模式，在保持太赫兹光谱指纹特性测量的同时，可以实现微量分析物宽带太赫兹吸收光谱增强，通过将一系列改变缺陷腔长度所产生的共振吸收峰连接起来形成包络线，可以建立增强的吸收光谱。以1um厚的α-乳糖薄膜为例，可以在超宽带太赫兹范围内实现约33.5倍的吸收增强因子。本发明所设计的微量物质吸收谱增强结构制备简单、测量方便，避免了传统方案的结构参数和入射角度的变化，且工作在透射模式，降低了测量难度，使用于不同分析物、不同灵敏度及不同测量范围的太赫兹光谱检测。

技术特征：

1.一种基于一维缺陷光子晶体增强太赫兹吸收谱的器件，其特征在于，包括两个相同的布拉格反射结构，且在两个布拉格结构之间具有一个由空气填充的缺陷腔；每个所述布拉格反射结构由两种不同折射率的材料层交替排列而成，且最外层均为高折射率层(1)，两层高折射率层(1)之间通过支撑条(2)隔开后填充低折射率层(3)；两个对称布置的布拉格反射结构和中间的缺陷腔构成法布里-珀罗谐振腔，且缺陷腔的中间位置放置有用于承载薄膜分析物(5)的有机聚合物衬底(4)；两个布拉格反射结构中各材料层和有机聚合物衬底(4)均保持平行且垂直于太赫兹波入射方向，太赫兹波从缺陷腔一侧的布拉格反射结构入射并通过缺陷腔之后，从缺陷腔另一侧的布拉格反射结构出射。

2.如权利要求1所述的基于一维缺陷光子晶体增强太赫兹吸收谱的器件，其特征在于，每个所述布拉格反射结构中高折射率层(1)和低折射率层(3)的总层数为n，优选的n＝5。

3.如权利要求2所述的基于一维缺陷光子晶体增强太赫兹吸收谱的器件，其特征在于，所述布拉格反射结构中，高折射率层(1)的材质为硅介质，低折射率层(3)的材质为空气。

4.如权利要求3所述的基于一维缺陷光子晶体增强太赫兹吸收谱的器件，其特征在于，所述高折射率层(1)的厚度为280～340um，低折射率层(3)的厚度为50～90um。

5.如权利要求1或4所述的基于一维缺陷光子晶体增强太赫兹吸收谱的器件，其特征在于，所述缺陷腔太赫兹波入射方向的长度为100～350um，且所述器件优选放置在位移平台上使所述缺陷腔的长度可精确调整。

6.如权利要求1所述的基于一维缺陷光子晶体增强太赫兹吸收谱的器件，其特征在于，所述布拉格反射结构中，支撑条(2)的材质为硬质材料，优选为石英。

7.如权利要求1所述的基于一维缺陷光子晶体增强太赫兹吸收谱的器件，其特征在于，所述有机聚合物衬底(4)的材质为特氟龙材料。

8.如权利要求7所述的基于一维缺陷光子晶体增强太赫兹吸收谱的器件，其特征在于，所述有机聚合物衬底(4)的厚度为5～15um。

9.如权利要求1所述的基于一维缺陷光子晶体增强太赫兹吸收谱的器件，其特征在于，所述薄膜分析物(5)的厚度为0.1～1um，薄膜分析物(5)优选为α-乳糖薄膜。

10.一种利用如权利要求1～9任一所述器件的α-乳糖增强太赫兹吸收光谱测量方法，其特征在于，首先将α-乳糖薄膜均匀涂覆在有机聚合物衬底(4)上形成薄膜；然后，将太赫兹波从缺陷腔一侧的布拉格反射结构入射，通过缺陷腔之后从缺陷腔另一侧的布拉格反射结构出射，不断调整缺陷腔太赫兹波入射方向的长度进而改变谐振频率，在不同缺陷腔长度下通过探测太赫兹波透射谱和反射谱得到不同谐振频率对应的吸收谱；将不同谐振频率对应的吸收谱谐振峰连接形成包络线，从而建立α-乳糖的增强吸收光谱。

技术总结本发明公开了一种基于一维缺陷光子晶体增强太赫兹吸收谱的器件及方法，属于太赫兹技术领域。本发明采用两个对称布置的布拉格反射结构和中间的缺陷腔构成法布里‑珀罗谐振腔，且缺陷腔的中间位置放置有用于承载薄膜分析物的有机聚合物衬底。太赫兹波从缺陷腔一侧的布拉格反射结构入射并通过缺陷腔之后，从缺陷腔另一侧的布拉格反射结构出射。本发明基于一维缺陷光子晶体结构在缺陷腔中产生高质量的谐振模式，在保持太赫兹光谱指纹特性测量的同时，可以实现微量分析物宽带太赫兹吸收光谱增强，通过将一系列改变缺陷腔长度所产生的吸收共振峰连接起来形成包络线，可以建立增强的吸收光谱。技术研发人员：严德贤,崔晶,王梓灏,李向军受保护的技术使用者：中国计量大学技术研发日：技术公布日：2024/7/25