一种太赫兹SPR传感器

本发明涉及太赫兹传感，尤其涉及一种太赫兹spr传感器。

背景技术：

1、spr（surface plasmon resonance，表面等离子体共振）传感技术是一种利用表面等离子体波与其消逝场穿透深度内的被测生化物质相互作用，使得表面等离子体波的特性发生变化，再通过光学方法测量这些变化，得出被测生化物质的含量、浓度、折射率、厚度等信息。可见-近红外波段的spr传感器利用常见的金、银等贵金属薄膜产生表面等离子体波，具有结构简单，制作容易，操作便捷、高灵敏、高通量、抗干扰、免标记、响应快等优点，广泛用于环境监测、食品安全检测、生物制药、临床诊断等领域。与可见-近红外spr传感器相比，太赫兹（thz）波段的spr传感器鲜有报道，主要原因是制作可见-近红外spr传感器常用的金、银等贵金属薄膜的载流子浓度大，其等离子体频率位于远紫外-可见光区域，远大于thz波段。所以thz波段的spr传感器不能利用金、银作为敏感膜，需要使用特殊的窄禁带半导体材料实现。在此背景下，基于各种thz超表面的人工表面等离激元（spoof surface plasmonpolariton，sspp）传感器，作为thz-spr传感器的替代品，在国内外引起了广泛研究。sspp的概念于2004年由帝国理工大学j.pendry团队首次提出，他们在金属表面制作了亚波长尺寸的周期性方孔阵列结构，并在这种结构的thz反射和透射谱中观测到了类似于可见光波段的spr吸收峰。随后针对thz-sspp的研究越来越多，各类周期性亚波长阵列金属结构层出不穷，sspp逐渐成为了thz领域的研究热点之一。虽然这种传感器能够通过灵活设计阵列结构调节sspp传感特性，但其折射率灵敏度偏低，共振吸收峰的半高峰宽偏大，导致传感器的品质因数（figure of merit）较低；并且其折射率灵敏度的提高通常会增加结构的复杂性和制备工艺的难度。

技术实现思路

1、有鉴于此，为了至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一，本发明提供了一种太赫兹spr传感器。

2、作为本发明的一个方面，提供了一种太赫兹spr传感器，包括：

3、发射模块，适用于产生入射太赫兹波束，所述入射太赫兹波束为线偏振太赫兹波束，所述线偏振太赫兹波束为p偏振状态；

4、太赫兹spr传感芯片，其中，所述太赫兹spr传感芯片上设置有被测样品，所述入射太赫兹波束穿过所述被测样品后入射至所述太赫兹spr传感芯片并被反射，形成携带所述被测样品信息的反射波束；所述入射太赫兹波束被配置为能够使其与所述太赫兹spr传感芯片发生共振耦合，以在所述太赫兹spr传感芯片与所述被测样品界面处产生表面等离子体波；所述表面等离子体波与所述被测样品相互作用，使得所述携带所述被测样品信息的反射波束受到调制；

5、探测模块，适用于探测所述携带所述被测样品信息的反射波束，从而得到所述被测样品的信息。

6、根据本发明的实施例，所述发射模块包括：

7、太赫兹源，所述太赫兹源适用于产生单频太赫兹线偏振平行波束，该单频太赫兹线偏振平行波束用作所述入射太赫兹波束；

8、调制单元，适用于对所述单频太赫兹线偏振平行波束进行调制，以使所述单频太赫兹线偏振平行波束与所述太赫兹spr传感芯片发生共振耦合。

9、根据本发明的实施例，所述调制单元包括驱动组件或者聚焦组件；

10、所述驱动组件适用于转动所述太赫兹源，以调节所述入射太赫兹波束入射至所述太赫兹spr传感芯片的入射角，使所述单频太赫兹线偏振平行波束与所述太赫兹spr传感芯片发生共振耦合；

11、所述聚焦组件适用于对所述单频太赫兹线偏振平行波束进行聚焦，得到聚焦波束，聚焦波束以预设角度入射至所述太赫兹spr传感芯片，调节聚焦组件使聚焦波束的焦点位于所述太赫兹spr传感芯片表面，聚焦波束的某一波矢成分与所述太赫兹spr传感芯片发生共振耦合。

12、根据本发明的实施例，所述探测模块包括：

13、太赫兹探测器，适用于对根据以不同的角度入射至所述太赫兹spr传感芯片上单频太赫兹线偏振平行波束或者根据所述聚焦波束得到的携带所述被测样品信息的反射波束进行探测；

14、处理单元，适用于根据所述太赫兹探测器探测到的反射波束功率信息得到共振角，并根据所述共振角得到所述被测样品的信息，所述共振角为所述入射太赫兹波束与所述太赫兹spr传感芯片发生共振耦合时的入射角。

15、根据本发明的实施例，所述太赫兹源还适用于使所述单频太赫兹线偏振平行波束以所述共振角入射至所述太赫兹spr传感芯片上；

16、所述探测模块还包括：

17、太赫兹成像传感器，适用于对所述单频太赫兹线偏振平行波束以所述共振角入射至所述太赫兹spr传感芯片上得到的反射波束进行成像；

18、其中，所述处理单元还适用于根据所述太赫兹成像传感器所成图像得到所述被测样品的信息。

19、根据本发明的实施例，所述发射模块包括：

20、太赫兹源，适用于产生宽频太赫兹线偏振平行波束，所述宽频太赫兹线偏振平行波束用作所述入射太赫兹波束，所述宽频太赫兹线偏振平行波束以预设角度入射至所述太赫兹spr传感芯片上，使所述宽频太赫兹线偏振平行波束的某一频率成分与所述太赫兹spr传感芯片发生共振耦合；

21、所述探测模块包括：

22、探测器，适用于对根据所述宽频太赫兹线偏振平行波束得到的携带所述被测样品信息的反射波束进行探测；

23、处理单元，适用于根据所述探测器探测到的反射波束功率谱信息得到共振频率，并根据所述共振频率得到所述被测样品的信息；所述宽频太赫兹线偏振平行波束的某一频率成分与所述太赫兹spr传感芯片发生共振耦合时所对应的频率。

24、根据本发明的实施例，所述太赫兹spr传感芯片，包括至少一个传感单元，每个传感单元包括基底和位于所述基底上的表面等离子体波产生组件；所述表面等离子体波产生组件包括光栅和敏感层；

25、其中，所述光栅位于所述基底上，所述敏感层位于所述光栅上；或者，所述敏感层位于所述基底上，所述光栅位于所述敏感层上；

26、根据本发明的实施例，所述敏感层为窄禁带半导体薄膜，所述窄禁带半导体薄膜为三五族半导体薄膜、四六族半导体薄膜、或者石墨烯薄膜；

27、根据本发明的实施例，所述三五族半导体薄膜为锑化铟薄膜。

28、根据本发明的实施例，所述光栅为一维平面光栅，所述光栅的脊高在2μm~10μm之间；所述光栅的周期大于，其中，λ为所述入射太赫兹波束的最小波长，na为所述被测样品的折射率。

29、根据本发明的实施例，所述太赫兹spr传感器还包括：

30、磁光调制结构，用于产生磁场，所述磁场的方向垂直于所述入射太赫兹波束与所述太赫兹spr传感芯片法线构成的入射面，所述太赫兹spr传感芯片位于所述磁场中，所述磁场对所述表面等离子体波产生调制。

31、根据本发明的实施例，上述太赫兹spr传感器还包括样品池，所述样品池由太赫兹透明材料构成，用于容纳液体样品，使用时所述太赫兹spr传感芯片的敏感层暴露于所述样品池内。

32、本发明实施例采用了太赫兹spr传感芯片。入射太赫兹波束与太赫兹spr传感芯片发生共振耦合后在太赫兹spr传感芯片与被测样品界面处产生的表面等离子体波为太赫兹波段的表面等离子体波。太赫兹波段的光子能量低，对被测样品无损伤，无需对被测样品进行标记即可进行高灵敏检测，对被测样品干扰小。