一种偏振表征的太赫兹传感器、检测系统及检测方法

本发明涉及传感器，特别涉及一种偏振表征的太赫兹传感器、检测系统及检测方法。

背景技术：

1、太赫兹技术是近几十年来新兴的一种技术，在通信，安检，生物化学物质检测等领域具有极大的应用前景。太赫兹是一种频率单位，为万亿(1012)赫兹。太赫兹波一般指的是频率为0.1thz～10thz的电磁波，在电磁波谱上介于红外与微波之间，太赫兹波所处的位置，赋予了它极其特殊的地位，既有一些射频的性质，也具有一些光学的性质。其波长与许多生物大分子尺寸接近，不同于红外光谱只能检测一些特定的化学键，太赫兹波能对不同类型，甚至同类型不同结构的生物大分子进行特异性检测，这种特性也被称为太赫兹波的生物大分子指纹特性。

2、但是，生物分子大的组成的元素多为非金属元素，即使有部分蛋白质含有金属元素，但其占比极低，因此生物大分子对电磁波的响应是非常微弱的，直接检测具有很大的困难。

3、超材料也称超构材料，是近二十年来新兴起的一门科学，这是一种人工设计的亚波长结构按照一定周期排布而成的器件，是一种人工“材料”，超材料是一种新颖而强力的电磁波控制手段，具有很多常规材料所不具有的特性。超材料的电场局域特性，能将生物大分子对电磁波的响应放大几个数量级，因此基于超材料的太赫兹生物传感器具有非常大的优势和广泛的应用前景。

4、目前，太赫兹生物传感器大多为频移传感器，通过检测附着待测物后的超材料的频谱变化作为传感的信号。一直以来，相关的研究人员追求的是更高品质因数的谐振，更高的灵敏度设计而努力，但更高的品质因数大多停留在模拟计算上，受限于测试系统(时域光谱)的精度，高品质因数的谐振峰不能被准确测量，制约了这个方向的发展。

5、近年来，太赫兹生物传感器中也出现了基于非厄米原理的传感器，由于系统对待测物的响应函数是非线性的，因此，其相比于传统的频移传感器，在待测物含量极低的情况下，具有更高的灵敏度。这类基于非厄米系统的传感器，由于使用了多层微观结构来构建耦合系统，其加工难度成倍提升，测量时更容易受干扰。最为突出的矛盾是，由于非厄米系统函数的特点，为了提高传感器的灵敏度不得不牺牲传感器的检测范围，制约了这种传感器的使用场景。

6、随着太赫兹技术的发展，相关领域的研究和应用对传感和测量提出了更多的需求。特别是在太赫兹生物化学检测等方面，非常需要一种结构简单，造价低，精度高，使用方便的传感器。

技术实现思路

1、为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种偏振表征的太赫兹生物传感器，包括。

2、衬底；

3、所述衬底的一面设置有超材料结构，所述超材料结构包括若干周期性单元，所述周期性单元包括一个带有开口的谐振环和一个栅，所述栅位于所述谐振环的开口侧，且所述谐振环和所述栅的中心与所述周期性单元的中心存在偏移。

4、进一步地，所述谐振环为带开口的矩形环，其外边长为30～120μm，外边宽为25～100μm，线宽为5～20μm，开口尺寸为5～20μm，所述谐振环距离所述周期性单元的中心横向偏移为8～35μm，纵向偏移为5～40μm；

5、所述栅为长方形条状，其长为35～140μm，宽为5～20μm，所述栅结构距离所述周期性单元的中心横向偏移10～80μm，纵向不设置偏移。

6、进一步地，所述谐振环和所述栅的厚度为0.1～0.5μm。

7、进一步地，所述周期性单元在横向的重复距离为50～200μm，在纵向的重复距离为40～160μm。

8、进一步地，所述衬底为厚度为100～1000μm的硅，蓝宝石或石英。

9、进一步地，带有超材料结构的衬底的一面还设置有标记，所述标记用于示意太赫兹线偏振光照射的方向。

10、本发明也提供了一种检测系统，包括上述的传感器，还包括光源部件、检偏器和探测器；

11、所述光源部件用于给所述传感器提供太赫兹线偏振光；

12、所述检偏器用于将所述传感器的透射光转化为电信号；

13、所述探测器用于提取所述电信号并根据所述电信号完成探测。

14、本发明也提供了上述的检测系统的检测方法，包括，

15、调零：将传感器在不施加待测物的条件下，不断改变太赫兹线偏振光的偏振角度，探测器提取电信号的完整脉冲进行傅里叶变换、计算相频、相频函数的差分，得到相频函数的差分的极值，建立偏振角与极值的关系并得到第一奇点，定义第一奇点为系统测量的零点；

16、检测：将待测物施加在传感器的超材料结构上，以零点为对称中心，不断改变太赫兹线偏振光的偏振角度，探测器提取电信号的完整脉冲进行傅里叶变换、计算相频、相频函数的差分，得到相频函数的差分的极值，建立偏振角与极值的关系并得到第二奇点，所述第二奇点与所述零点的差值即为测量值。

17、进一步地，所述检测中，得到相频函数的差分的极值后使用二分法缩小搜索极点的角度步长，直至设定精度。

18、相对于现有技术，本发明具有以下的有益效果：

19、本发明的传感器引入了偏振表征方式，偏振控制的精度与时域光谱的测量精度无关，解决了传统的太赫兹传感器受限于时域光谱测量的问题。

20、本发明的传感器基于非厄米原理传感，但仅有单层结构构成耦合系统，解决了多层结构加工难度高的，成本高的问题。

技术特征：

1.一种偏振表征的太赫兹传感器，其特征在于，包括，

2.根据权利要求1所述的偏振表征的太赫兹传感器，其特征在于，所述谐振环为带开口的矩形环，其外边长为30～120μm，外边宽为25～100μm，线宽为5～20μm，开口尺寸为5～20μm，所述谐振环距离所述周期性单元的中心横向偏移为8～35μm，纵向偏移为5～40μm；

3.根据权利要求1所述的偏振表征的太赫兹传感器，其特征在于，所述谐振环和所述栅的厚度为0.1～0.5μm。

4.根据权利要求1所述的偏振表征的太赫兹传感器，其特征在于，所述周期性单元在横向的重复距离为50～200μm，在纵向的重复距离为40～160μm。

5.根据权利要求1所述的偏振表征的太赫兹传感器，其特征在于，所述衬底为厚度为100～1000μm的硅，蓝宝石或石英。

6.根据权利要求1～5任一项所述的偏振表征的太赫兹传感器，其特征在于，带有超材料结构的衬底的一面还设置有标记，所述标记用于示意太赫兹线偏振光照射的方向。

7.一种检测系统，其特征在于，包括权利要求1～6任一项所述的传感器，还包括光源部件、检偏器和探测器；

8.一种权利要求7所述的检测系统的检测方法，其特征在于，包括，

9.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于，所述检测中，得到相频函数的差分的极值后使用二分法缩小搜索极点的角度步长，直至设定精度。

技术总结本发明公开了一种偏振表征的太赫兹传感器、检测系统及检测方法，所述传感器包括，衬底；所述衬底的一面设置有超材料结构，所述超材料结构包括若干周期性单元，所述周期性单元包括一个带有开口的谐振环和一个栅，所述栅位于所述谐振环的开口处，且所述谐振环和所述栅的中心与所述周期性单元的中心存在偏移。本发明的传感器引入了偏振表征方式，偏振控制的精度与时域光谱的测量精度无关，解决了传统的太赫兹传感器受限于时域光谱测量精度的问题。本发明的传感器基于非厄米原理传感，但仅有单层结构构成耦合系统，解决了多层结构加工难度高的，成本高的问题。技术研发人员：林海,石欣桐,张俊逸,侯俊杰受保护的技术使用者：华中师范大学技术研发日：技术公布日：2024/8/1