一种折射率传感器及探测方法

1.本发明属于光学测量技术领域，更具体地涉及一种折射率传感器及探测方法。


背景技术：

2.折射率传感器是一种利用被测介质折射率变化来测量物质特性和环境的传感器。近年来，随着光学、微电子技术的不断发展，折射率传感器在应用和性能上都得到了很大提升，折射率的主要发展方向为新材料、微纳米加工、mems技术和光纤传感器等。
3.非厄米超表面为折射率传感器的发展带来新的思路和方法，非厄米超表面是一种新型人工微结构，具有突破传统折射率限制的能力。它由多层金属纳米图案构成，可以调节电磁波的相位和振幅。非厄米超表面中存在的奇异点即ep点，在奇异点处非厄米超表面能够实现对光的强烈吸收或反射。当外界物质进入超表面范围内时，其会改变超表面内部的光场分布，导致奇异点处的光场发生变化，从而影响非厄米超表面的光学特性。通过精确测量这种变化所引起的非厄米超表面反射光强变化，可以实现对外界物质折射率的高精度、高灵敏度检测。非厄米超表面奇异点折射率传感在物质检测和传感领域中具有广泛的应用前景。其在化学、生物医学、环境监测等领域中的应用包括检测水中的重金属离子、诊断糖尿病、监测大气中的气体浓度等。与传统的折射率传感技术相比，非厄米超表面奇异点折射率传感具有更高的检测灵敏度和选择性，可以实现对微量物质的快速、准确检测。
4.目前基于非厄米超表面的传感器设置，由于参数调控欠佳，第一方面使得结构存在鲁棒性较差的问题，鲁棒性是指一个系统或结构对于内外部环境变化、干扰或损坏的能力。一个具备鲁棒性的系统或结构可以维持其正常的运行状态或性能，即使受到一定程度的干扰或损坏。相反，若传感器的鲁棒性不佳，则容易导致传感不稳定，难以保证持续传感，并且容易损坏导致后期的维护成本较高。第二方面使得折射率的探测无法实现多波段探测折射率，在不同的物质中折射率的变化就可能不同，若仅使用单一波长进行测量则准确度会下降；有些物质仅在特定的波长下表现出明显的折射率变化，而在其他波长下很少有变化，若仅能使用单一波长进行测量，则对这些物质的折射率进行精确测量可能会有所困难，限制了应用范围；若只使用单一波长进行测量，极有可能会受到其他光学参数的影响，例如散射、吸收等，而这些干扰会对折射率的测量造成误差，从而影响测量的准确性；若仅使用单一波长进行测量，意味着需要多次对同一样本进行测量，以获得更精确的结果，这种检测方式将增加测量时间，从而降低效率。
5.综上所述，目前折射率传感器的结构参数设置有待优化。


技术实现要素：

6.基于现有技术中存在的上述缺点和不足，本发明的目的之一是至少解决现有技术中存在的上述问题之一或多个，换言之，本发明的目的之一是提供满足前述需求之一或多个的一种折射率传感器及探测方法。
7.为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
8.第一方面，本发明提供了一种折射率传感器，包括反射底层，以及设置在所述反射底层上方的介质层；还包括多组金属结构，每组所述金属结构均包括均匀贴附于所述介质层上表面的第一金属环、嵌设于所述介质层内部的第二金属环；所述第一金属环设置有第一开口，所述第二金属环设置有第二开口；所述第一金属环以二维阵列排布于所述介质层上表面，所述第二金属环以二维阵列排布于所述介质层内部。
9.通过上述技术方案，设置有所述第一金属环和所述第二金属环，使得电磁场在所述第一金属环和所述第二金属环之间强烈共振。并且设置所述反射底层，使得不同方向的电场分量沿着所述第一开口和所述第二开口方向强烈吸收和反射。构建了二阶非厄米系统，并利用了非厄米超表面中存在的奇异点及奇异点的特性，奇异点处受到外界微扰时数值变化更灵敏。基于本方案的传感器结构，在奇异点处系统参数形成的特征曲面简并在一点，通过施加外界微扰，该简并点会发生非线性分裂，通过构建微扰与非线性分裂的函数关系，即可实现折射率传感。
10.作为一种优选的方案，所述第一开口的设置范围为[15.3μm,16.5μm]；所述第二开口为33μm。
[0011]
通过上述技术方案，需要说明的是本方案入射的是左旋偏振光lcp和右旋圆偏振光rcp，所述第一开口和所述第二开口对左旋偏振光lcp和右旋圆偏振光rcp有选择作用，根据实验数据可知，当所述第一开口处于[15.3μm,16.5μm]范围，并且所述第二开口设置为33μm时，二阶非厄米系统更容易达到奇异点。通过配合其他参数的设置，二阶非厄米系统处于奇异点，在奇异点处能够实现对光的强烈吸收或反射。当外界物质进入超表面范围内时，其会改变超表面内部的光场分布，导致奇异点处的光场发生变化，从而影响超表面的光学特性。通过精确测量这种变化所引起的超表面反射光强变化，可以实现对外界物质折射率的高精度、高灵敏度检测。
[0012]
作为一种优选的方案，所述第一金属环与所述第二金属环的间距设置范围为[19μm,31μm]。
[0013]
通过上述技术方案，当所述第一金属环与所述第二金属环的间距设置处于[19μm,31μm]范围时，二阶非厄米系统更容易达到奇异点。通过配合其他参数的设置，二阶非厄米系统处于奇异点，在奇异点处能够实现对光的强烈吸收或反射。当外界物质进入超表面范围内时，其会改变超表面内部的光场分布，导致奇异点处的光场发生变化，从而影响超表面的光学特性。通过精确测量这种变化所引起的超表面反射光强变化，可以实现对外界物质折射率的高精度、高灵敏度检测。
[0014]
作为一种优选的方案，所述介质层采用聚酰亚胺材料。
[0015]
通过上述技术方案，光在所述传感器中传播，系统会产生损耗，而这个损耗正是构建非厄米系统的关键。
[0016]
作为一种优选的方案，二维阵列在横向上及纵向上的长度的范围均为[140μm,180μm]；二维阵列在横向上的金属结构个数的范围为[6,8]，所述二维阵列在纵向上的金属结构个数的范围为[6,8]。
[0017]
作为一种优选的方案，所述第二开口与所述第一开口存在相对角度差。
[0018]
通过上述技术方案，当二阶非厄米系统达到奇异点时，通过调节所述第二开口与所述第一开口的相对角度差，可以实现多波段探测折射率，这种结构设置增强了折射率判
别能力，扩大了应用领域，使用多个波段的信息进行计算可以提高测量精度和稳定性。
[0019]
作为一种优选的方案，多组金属结构中所述第一开口和所述第二开口存在的相对角度差均相等。
[0020]
作为一种优选的方案，所述相对角度差为60
°
。
[0021]
通过上述技术方案，当二阶非厄米系统达到奇异点时，通过调节所述第二开口与所述第一开口的相对角度差为60
°
，在0.513thz处可以实现探测折射率。
[0022]
作为一种优选的方案，所述相对角度差为30
°
。
[0023]
通过上述技术方案，当二阶非厄米系统达到奇异点时，通过调节所述第二开口与所述第一开口的相对角度差为60
°
，在0.522thz处可以实现探测折射率。
[0024]
第二方面，本发明提供了一种折射率探测方法，包括步骤：
[0025]
s1、对上述任一方案中的一种折射率传感器入射左旋偏振光和右旋圆偏振光，以使得所述传感器处于ep点状态；
[0026]
s2、对处于ep点状态的传感器施加外界微扰，以获得反射光谱图，基于所述反射光谱图计算折射率。
[0027]
通过上述技术方案，不仅可以实现高灵敏度传感，从而实现更精确的探测，还可以实现多波段探测折射率。
[0028]
本发明与现有技术相比，有益效果是：
[0029]
本发明通过上述结构参数设置，构建了能达到多个奇异点的二阶非厄米系统，可以实现对环境折射率的传感效果增强，并且通过调节所述第二开口与所述第一开口的相对角度差，可以在不同频率处实现高灵敏度传感，从而实现多波段探测折射率。本发明基于传感器设置的折射率探测方法，不仅可以实现高灵敏度传感，从而实现更精确的探测，还可以实现多波段探测折射率。
[0030]
进一步地或者更细节的有益效果将在具体实施方式中结合具体实施例进行说明。
附图说明
[0031]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0032]
图1是本发明所述一种折射率传感器的结构示意图。
[0033]
图2是本发明所述一种折射率传感器的结构示意图。
[0034]
图3是本发明所述一种折射率传感器的结构示意图。
[0035]
图4是本发明所述一种折射率传感器的结构示意图。
[0036]
图5是本发明所述相对角度差为60
°
的结构示意图。
[0037]
图6是本发明所述相对角度差为60
°
的结构示意图。
[0038]
图7是本发明所述相对角度差为60
°
的反射系数光谱图。
[0039]
图8是本发明所述相对角度差为60
°
的本征值实部、虚部简并图。
[0040]
图9是本发明所述相对角度差为60
°
的本征值实部、虚部简并图。
[0041]
图10是本发明所述相对角度差为60
°
的本征值频率分裂随外界折射率的函数关系
图。
[0042]
图11是本发明所述相对角度差为60
°
的re(ω-1-ω1)随外界折射率的函数关系图。
[0043]
图12是本发明所述相对角度差为30
°
的结构示意图。
[0044]
图13是本发明所述相对角度差为60
°
的反射系数光谱图。
[0045]
图14是本发明所述相对角度差为60
°
的本征值实部、虚部简并图。
[0046]
图15是本发明所述相对角度差为60
°
的本征值实部、虚部简并图。
[0047]
图16是本发明所述一种折射率探测方法的流程图。
[0048]
附图标号：
[0049]
100、反射底层；
[0050]
200、介质层；
[0051]
300、金属结构；310、第一金属环；311、第一开口；320、第二金属环；321、第二开口。
具体实施方式
[0052]
下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0053]
在下述介绍中，提供了本技术的多个实施例，不同实施例之间可以替换或者合并组合，因此本技术也可认为包含所记载的相同和/或不同实施例的所有可能组合。因而，如果一个实施例包含特征a、b、c，另一个实施例包含特征b、d，那么本技术也应视为包括含有a、b、c、d的一个或多个所有其他可能的组合的实施例，尽管该实施例可能并未在以下内容中有明确的文字记载。
[0054]
下面的描述提供了示例，并且不对权利要求书中阐述的范围、适用性或示例进行限制。可以在不脱离本技术内容的范围的情况下，对描述的元素的功能和布置做出改变。各个示例可以适当省略、替代或添加各种过程或组件。例如所描述的方法可以以所描述的顺序不同的顺序来执行，并且可以添加、省略或组合各种步骤。此外，可以将关于一些示例描述的特征组合到其他示例中。
[0055]
为了便于更好地理解本技术实施例，在对本技术的具体实施方式进行详细地解释说明之前，先对其应用场景予以说明。
[0056]
实施例一：
[0057]
如图1-2所示，本实施例提供了一种折射率传感器，包括反射底层100，以及设置在所述反射底层100上方的介质层200，还包括多组金属结构300。所述介质层200采用聚酰亚胺材料，所述反射底层100和所述金属结构300均采用铝材料或者采用与铝折射率相近的材料。
[0058]
每组所述金属结构300均包括均匀贴附于所述介质层200上表面的第一金属环310、嵌设于所述介质层200内部的第二金属环320。所述第一金属环310设置有第一开口311，所述第二金属环320设置有第二开口321，所述第一金属环310和所述第二金属环320均设置为开口谐振环。所述第一金属环310以二维阵列排布于介质层200上表面，所述第二金属环320以二维阵列排布于介质层200内部。二维阵列在横向上及纵向上的长度的范围p均为[140μm,180μm]，二维阵列在横向上的金属结构300个数的范围为[6,8]，所述二维阵列在纵向上的金属结构300个数的范围为[6,8]。
[0059]
如图3-4所示，本实施例所述第一开口的设置范围g1为[15.3μm,16.5μm]，所述第二开口g2设置为33μm。所述第一金属环与所述第二金属环的间距设置范围为[19μm,31μm]。r1为25μm，r2为45μm，所述第一金属环与所述第二金属环的宽度w为11.2μm，所述第一金属环与所述第二金属环的厚度h1为0.2μm。所述介质层的厚度h2为[60μm,70μm]，所述反射底层的厚度与所述第一金属环与所述第二金属环的厚度相等h1相等均为0.2μm。
[0060]
如图5-6所示，本实施例所述第二开口与所述第一开口存在相对角度差，多组金属结构中所述第一开口和所述第二开口存在的相对角度差均相等，所述相对角度差为60
°
。
[0061]
如图7-11所示，通过上述操作设置的所述传感器在0.513thz处可以实现探测折射率。
[0062]
本实施例构建了二阶非厄米系统，并通过上述具体参数设置使得该系统处于奇异点，在该奇异点处施加外界微扰其数值变化更灵敏。具体实现的原理为：
[0063]
非厄米奇异点效应是指在增益-损耗不同的能量模式耦合形成的非厄米系统中，多个原本不同的本征值和本征矢量在奇异点处出现本征值和本征矢量简并的现象。这种现象出现的奇异点是非厄米系统在宇称-时间pt对称状态和pt对称破缺状态之间的相变点，调节非厄米系统的模式损耗以及耦合强度可以使系统达到奇异点。在非厄米奇异点处超表面系统的本征态简并，即在圆偏振基下反射矩阵简并的本征态为单一的圆偏振态，即左旋圆偏振光lcp或右旋圆偏振光rcp。当入射光为本征态时，系统不产生交叉极化分量，即rcp入射光下不产生lcp光分量，且lcp入射光下不产生rcp光分量。
[0064]
根据电磁场理论，双金属开口谐振环结构与电磁波会产生强烈的相互作用，改变结构参数可以调节出射光的相位差和振幅，当y偏振方向和x偏振方向上反射率相同，且反射相位差180
°
时，lcp光入射下出射rcp光，rcp光入射光下出射lcp光，即关闭了圆偏振反射矩阵的共极化通道。由于作用机制不同，所以能将上述现象结合在一起得到圆偏振滤波效果——当系统的本征态是rcp偏振态时，rcp入射光的交叉极化通道和共极化通道都关闭，rcp光入射下无反射，而lcp光入射下仅出射纯粹的rcp光；当系统的本征态是lcp偏振态时，系统有相反的滤波作用，系统的本征态可以通过对内嵌开口谐振环镜像旋转得到。这些特性使其在遥感、天文学、偏振成像和医学诊断、折射率传感等领域有着重大潜在的应用价值。
[0065]
在超表面结构设计中，开口谐振环阵列是一种常用的圆偏振响应元件。用金属材料构建开口谐振环，电磁场在双开口谐振环间强烈共振。考虑到反射层的作用，调整结构参数可以使不同方向的电场分量沿着谐振环开口方向强烈吸收和反射。在特定结构参数下，改变内嵌开口谐振环的旋转角度，就可以选择得到所需要的圆偏振手性响应。
[0066]
基于圆偏振光的手性ep响应，从pt对称性的定义出发，增益和损耗平衡的pt对称系统是人们广泛研究的系统，在ep点附近工作的传感器被认为优于那些远离ep点工作的传感器，因为对ep点附近施加外界微扰，其数值变化更灵敏，这种灵敏度增强归因于变化系统参数形成的特征曲面的n根拓扑，n对应的是所构建的n阶非厄米系统。
[0067]
实施例二：
[0068]
如图12所示，本实施例提供了一种折射率传感器，本实施例的结构与上述实施例的结构基本相同，其区别仅在于本实施例中的所述相对角度差为30
°
。
[0069]
如图13-15所示，通过上述操作设置的所述传感器在0.522thz处可以实现探测折
射率。
[0070]
实施例三：
[0071]
如图16所示，本发明提供了一种折射率探测方法，包括步骤：
[0072]
s1、对上述任一方案中的一种折射率传感器入射左旋偏振光和右旋圆偏振光，以使得所述传感器处于ep点状态；
[0073]
s2、对处于ep点状态的传感器施加外界微扰，以获得反射光谱图，基于所述反射光谱图计算折射率。
[0074]
本发明基于传感器设置的折射率探测方法，基于构建的二阶非厄米系统，在其二阶ep点处，系统参数形成的特征曲面简并在一点，通过施加外界微扰，该简并点会发生非线性分裂，通过构建微扰与非线性分裂的函数关系，通过分析本征频率分裂与微扰的关系，在太赫兹thz波段获得了一种高灵敏度、手性响应的折射率传感探测方法。
[0075]
分析本征频率分裂与微扰的关系的具体原理为：
[0076]
对于上述用耦合模理论表示，耦合模理论广泛用于描述两个谐振腔通过近场耦合来达到理想效果。在时域中，考虑正弦时变场，谐振腔的共振模式用动力学方程进行表述为：
[0077][0078][0079]
a,b为开口谐振环的共振模式，上述公式的模式振幅a和b服从耦合微分方程，其中g为增益损耗系数，k耦合系数。
[0080][0081]
将带入上述公式，写为本征值方程的形式h
0vn
＝ω
nvn
[0082]
矩阵h0为：
[0083][0084]
对该二阶哈密顿量施加外界微扰，哈密顿量可以写成
[0085][0086]
求解该本征值方程，其对应的特征方程和特征频率为：
[0087][0088][0089]
从中可以看出，本征频率分裂与微扰的平方根相关。
[0090]
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本技术并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本技术，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知
悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本技术所必须的。
[0091]
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
[0092]
以上所述者，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其实施方案。本技术旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。

技术特征：
1.一种折射率传感器，其特征在于：包括反射底层(100)，以及设置在所述反射底层(100)上方的介质层(200)；还包括多组金属结构(300)，每组所述金属结构(300)均包括均匀贴附于所述介质层(200)上表面的第一金属环(310)、嵌设于所述介质层(200)内部的第二金属环(320)；所述第一金属环(310)设置有第一开口(311)，所述第二金属环(320)设置有第二开口(321)；所述第一金属环(310)以二维阵列排布于所述介质层(200)上表面，所述第二金属环(320)以二维阵列排布于所述介质层(200)内部。2.根据权利要求1所述的一种折射率传感器，其特征在于：所述第一开口(311)的设置范围为[15.3μm,16.5μm]；所述第二开口(321)设置为33μm。3.根据权利要求1所述的一种折射率传感器，其特征在于：所述第一金属环(310)与所述第二金属环(320)的间距设置范围为[19μm,31μm]。4.根据权利要求1所述的一种折射率传感器，其特征在于：所述介质层(200)采用聚酰亚胺材料。5.根据权利要求1所述的一种折射率传感器，其特征在于：二维阵列在横向上及纵向上的长度的范围均为[140μm,180μm]；二维阵列在横向上的金属结构(300)个数的范围为[6,8]，所述二维阵列在纵向上的金属结构(300)个数的范围为[6,8]。6.根据权利要求1-5任一项所述的一种折射率传感器，其特征在于：所述第二开口(321)与所述第一开口(311)存在相对角度差。7.根据权利要求6所述的一种折射率传感器，其特征在于：多组金属结构(300)中所述第一开口(311)和所述第二开口(321)存在的相对角度差均相等。8.根据权利要求7所述的一种折射率传感器，其特征在于：所述相对角度差为60
°
。9.根据权利要求7所述的一种折射率传感器，其特征在于：所述相对角度差为30
°
。10.一种折射率探测方法，其特征在于，包括步骤：s1、对权利要求1-9任一项所述的一种折射率传感器入射左旋偏振光和右旋圆偏振光，以使得所述传感器处于ep点状态；s2、对处于ep点状态的传感器施加外界微扰，以获得反射光谱图，基于所述反射光谱图计算折射率。

技术总结
本发明提供了一种折射率传感器，包括反射底层，以及设置在所述反射底层上方的介质层；还包括多组金属结构，每组所述金属结构均包括均匀贴附于所述介质层上表面的第一金属环、嵌设于所述介质层内部的第二金属环；所述第一金属环设置有第一开口，所述第二金属环设置有第二开口；所述第一金属环以二维阵列排布于介质层上表面，所述第二金属环以二维阵列排布于介质层内部。本发明实现了对环境折射率的传感效果增强，通过调节所述第二开口与所述第一开口的相对角度差，可以在不同频率处实现高灵敏度传感，从而实现多波段探测折射率。本发明基于传感器设置的折射率探测方法，不仅可以实现高灵敏度传感、更精确的探测，还可以实现多波段探测折射率。探测折射率。探测折射率。


技术研发人员：高凡 刘浩 鄢波 邓娟 金国立 周涛
受保护的技术使用者：浙江工业大学
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/8/21