论文部分内容阅读
太赫兹波因为具备低的光子能量,并且对绝大多数非极性材料如衣物、纸张、塑料透明等优良特性被广泛应用于各个领域,比如太赫兹波成像、无损探伤、安全检测以及医疗诊断等方面。其中太赫兹波生化样品或者气体的定性鉴别以及厚度或者是气体浓度等的定量监测成为太赫兹传感领域的研究热点。然而目前现有的基于物质特征吸收峰即谱指纹进行的物质特异性识别的太赫兹传感器由于灵敏度低,导致检测样品用量大不利于医疗诊断、工业生产、废气排放管理等方面的实际应用,因此本文提出设计具有超灵敏特性的太赫兹人工微结构器件以实现微量生化样品或者是低浓度气体的特异性检测目的。论文的主要研究工作为:（1）从理论上设计并研究了一种基于人工表面等离子体的耦合梳状金属波导结构。该波导由两个相同的单条梳状金属波导反向对称放置位于石英衬底表面构成。利用有限元以及有限差分时域算法计算该波导结构的检测灵敏度与结构尺寸,如耦合间隙、单元周期以及波导长度之间的依赖关系。提出了减小耦合间隙,增加波导长度可以有效增强波导的检测灵敏度,2.3μm厚度的乳糖样品在其特征吸收峰（谱指纹）529GH频率处对电磁能量的吸收率可以达到30%,相比自然状态下乳糖对电磁能量的吸收强度被放大了两个数量级。这种超薄并且明显的指纹吸收放大传感器相比之前文献所报道的需要几十微米甚至更厚的检测样品用量并且仅伴随微弱的指纹吸收率,其传感效果要好很多。（2）提出了一种新颖的太赫兹指纹检测方案并通过一维光子晶体微腔加以验证。我们所提出的新颖的指纹检测方案是:利用太赫兹微腔或者环结构产生高品质因子（Q值）的谐振模式,调节器件谐振模式频率f0等于目标样品的特征吸收指纹,根据高Q谐振模式对材料损耗极其敏感以及谐振频率处的电磁波在腔或者环结构内多次反射与样品相互作用,表现为透射谱中谐振峰值出现急剧衰减并伴随谐振频率轻微漂移现象。而对于器件的谐振频率f0不等于检测样品谱指纹的情况,透射谱谐振峰值不会随加载检测样品量的多少而发生明显的峰值衰减变化仅伴随谐振频率漂移,进而实现了物质的特异性检测目的。利用太赫兹微腔或者环结构的高Q谐振模式峰值衰减进行物质的特异性检测,该方法具有特异性检测精确度准,灵敏度高等优势。为了验证该检测方案的可行性,我们利用高Q一维光子晶体微腔对检测样品代表乳糖进行了检测效果模拟。结果表明,10nm的乳糖可以引起在其谱指纹频率529GHz处的光子晶体微腔谐振模式峰值衰减量为5%,推动了太赫兹频段乳糖指纹检测厚度向纳米量级的发展。除此之外还讨论了样品位置、谐振模式频率及Q值对光子晶体微腔太赫兹指纹检测效果的影响。为了更好地指导实际应用,我们还模拟了有损耗硅晶片的光子晶体微腔对乳糖样品的检测效果,得到5%的检测极限所对应的乳糖厚度也仅有13nm,检测效果依然很显著。最后,值得一提的是该太赫兹光子晶体微腔对乳糖的指纹吸收率平均可以放大到300多倍。（3）利用高Q谐振模式的光子晶体微腔实现低浓度氰化氢（HCN）气体的指纹检测。以1239.89GHz作为HCN气体的特异性识别指纹。在标准大气压（1atm）情况下,每立方米的大气中HCN的体积为两立方厘米时（即HCN的体积浓度为2ppm）,可引起光子晶体微腔谐振峰值衰减量为1%。并且当HCN的体积浓度增加到10ppm时,其谐振峰值衰减量可以达到5%,相比气体室气体检测器,相同气压、相同气体体积浓度的HCN所引起的在其特征吸收峰处对电磁能量的吸收率可以增强200多倍。最重要的是,该光子晶体微腔HCN气体指纹检测器的结构尺寸仅有5.56mm,有利于器件集成以及多通道气体检测。