基于太赫兹超材料的微流体折射率传感器

太赫兹生物医学是目前光谱研究领域的热点,其主要难点在于如何有效避免水分的干扰,进行液相环境下样本的灵敏分析与检测。超材料太赫兹传感器由于具有高灵敏、快速检测、痕量分析等优势,而成为太赫兹生物医学传感领域的重要研究方法。设计加工了一种基于单开口谐振环超材料的太赫兹液相传感芯片,为了有效克服水对太赫兹波的强烈吸收,利用微纳加工技术刻蚀深度为50 μm的流体通道。传感芯片整合了超材料基底与PDMS流道,在THz频段有两个位于0.771和2.129 THz的谐振峰。以水、无水乙醇作为常见化学溶剂进行传感实验,相对于空白传感器本身的THz时域谱而言,液体的加入导致时域峰的相位延迟和幅度减小。同时,由于水的折射率大于乙醇,THz透射频谱结果显示为水的频移改变量大于乙醇,且峰2大于等于峰1。上述结果表明,构建的超材料液相传感芯片是一个灵敏的折射率传感器,也证明了该传感器在测量液态样品方面的可行性。此外,利用该芯片研究了不同浓度的PBS溶液,发现水溶液中加入离子会导致谐振频率红移（以水为参考）,随着离子浓度增加,谐振频率改变量依次增加,10X PBS红移量最大,峰1为22.9 GHz,峰2为30.5 GHz。比较两个谐振峰的传感性能,峰2的传感能力更好,但是峰1对低浓度的离子溶液更加敏感。因此,构建的微流体传感器及检测体系作为一个灵敏的折射率传感器,可开发一个灵敏的无标记THz传感平台,为太赫兹生物医学研究提供新思路。     

基于双开口环结构的太赫兹超材料生物传感器

为了拓展超材料在太赫兹波段的生物传感应用,设计了一种双开口环结构的太赫兹超材料生物传感器,通过两个等效电容电感(LC)谐振实现了高折射率灵敏度传感。首先,使用有限积分技术(FIT)数值计算了该传感器的太赫兹光谱,并对其进行了结构尺寸优化。然后,在传感器表面放置了一层折射率可变的分析物,通过对不同透射光谱的计算分析,验证了该传感器具备161.06 GHz/RIU(RIU为折射率单位)的折射率灵敏度和1.98的品质因素(FOM)值。最后,采用传统光刻技术和剥离工艺在石英衬底上制作铜金属结构,制备了该传感器,利用其对牛血清白蛋白(BSA)溶液进行了实际测试,实验得到传感灵敏度为59.02 GHz/(ng·mm^-2)和检测下限为0.004 mg/mL。     

工字形太赫兹超材料吸波体的传感特性研究

利用超材料吸波体对材料参数的电磁响应, 可将其应用于传感. 本文设计了一种工字形单元结构的超材料吸波体, 基于频域算法对其在太赫兹频段的传感特性进行数值模拟, 研究了待测样品折射率、厚度及电介质隔层厚度对超材料吸波体传感器的频率灵敏度、振幅灵敏度及品质因数的影响. 研究结果表明:当待测样品厚度为40 μm时, 折射率频率灵敏度可达到153.17 GHz/RIU, 折射率振幅灵敏度可达到41.37%/RIU; 待测样品折射率一定时, 厚度频率灵敏度随其厚度的增大而线性减小; 随着待测样品厚度的增加, RFOM呈增大趋势, 但增大幅度在逐渐减小; TFOM随待测样品厚度的增加而减小.     

基于双开口金属环的太赫兹超材料吸波体传感器

本文提出了一种用于生物样品检测的高灵敏度太赫兹折射率超材料吸波体传感器.该传感器由2个同心开口金属环组成,是一种多模谐振器.传感器在0.7—2.5 THz频率范围内具有2个独立可调的工作频段,即1.079 THz和2.271 THz,可观测样品在太赫兹波段的不同电磁效应.采用吸收特性、灵敏度等指标评估太赫兹传感器的性能,自由空间中的吸收率超过99.9%,具有较高的频率选择特性,灵敏度达到693.7 GHz/RIU,检测生物样品最小折射率变化量为0.004,传感性能较好.所提出的传感器使用低介电常数的柔性材料,具有生物相容性、便携性等优点,且在0°—60°斜入射角下及4%的制作误差内显示出高度稳定性.此外,通过乙醇-水混合物模拟实验,验证了传感器的检测效果.本文设计的传感器单元结构之间相互作用小、稳定、易制作,能够显著增强光与物质之间相互作用,在太赫兹高灵敏生物传感检测中具有广阔的应用前景.     

太赫兹超材料类EIT谐振无标记生物传感

设计并制备了一种太赫兹波段的类电磁诱导透明(EIT)超材料谐振器,用于链霉亲和素-琼脂糖的特异性传感。利用有限差分法设计两个正方形开口谐振环嵌套构成的超材料谐振器实现类EIT高Q谐振,并对其传感特性进行了仿真分析。将生物素和十八硫醇固化在制备的超材料表面形成特异性膜对不同浓度链霉亲和素-琼脂糖进行传感实验,利用基于返波振荡器(BWO)的高分辨太赫兹谱进行了谐振特性测量。结果表明设计的类EIT超材料传感器Q值为34,灵敏度为24.7 GHz/RIU,链霉亲和素-琼脂糖单位质量浓度变化引起的频移量为0.65 GHz,为太赫兹器件应用于生物化学领域的无标记微量检测提供一定的参考。     

基于类电磁诱导透明的双频段太赫兹超材料的传感和慢光特性

提出并研究了一种由三组明模组成的类电磁诱导透明太赫兹超材料结构.两组具有相似共振频率的明模为两个弱杂化态,能量在两个共振点之间来回振荡,产生相消干涉,在两个共振点之间产生透射窗口.该超材料的三组明模两两耦合干涉产生双频段的类电磁诱导透明效应.根据仿真曲线和电场分布,分析了超材料的类电磁诱导透明形成机理.此外,通过仿真和计算研究了超材料的传感特性,在待测物的最佳厚度下,两个类电磁诱导透明窗口的折射率灵敏度可高达451.92和545.31 GHz/RIU.通过对6种石油产品的传感仿真,验证了双频段超材料比单频段超材料在介电常数匹配方面更具有优势.还研究了所设计的超材料在慢光效应下的特性.这两个窗口的最大群时延分别可达9.98和6.23 ps,此超材料在高灵敏度传感器和慢光器件领域具有重要的应用价值.     

基于四峰超材料THz传感器的B族维生素检测

水溶性B族维生素是维持人体正常生理功能必需的营养成分,摄取适量有益于生长、代谢和发育,摄入过量严重危害身体。因此,维生素检测方法的研究受到质量监控部门和国内外学者的重视。传统测量维生素的光谱法、化学法和高效液相色谱法存在操作繁琐、样品处理复杂、成本高等问题,迫切需要开发操作简单快速准确的B族维生素检测技术。太赫兹波的特殊性使其广泛用于物质的检测,超材料奇异的电磁特性和对表面介质的敏感性,促进太赫兹波段内的超材料传感器在检测领域发展和应用。提出了一种利用四峰太赫兹超材料传感器进行同浓度水溶性B族维生素检测的方法。利用有限积分法设计了一种由不对称开口的正六边形和圆环组成的四峰超材料结构,四峰的频率分别为0.46, 0.57, 0.66和0.90 THz。通过表面电流研究四谐振峰的形成机理和传感性能,四个谐振峰对入射的太赫兹波响应特性不同,导致了其不同的传感灵敏度。实验过程中,将同浓度(0.5 mg·μL~(-1))不同类型B族维生素B_1, B_3, B_5和B_6水溶液滴于超材料传感器表面,利用太赫兹时域系统测量透射谱,得到了四个谐振峰在测四种维生素时的频率偏移量。实验结果验证了由正六边形外环和内圆环组成的不对称开口环结构传感器的传感特性。结果表明,由内外环耦合形成的传感器灵敏度明显大于仅由外环或内环的电偶极子振荡形成的传感器灵敏度。该太赫兹超材料传感器的四个峰均可用于物质传感,其中内外环耦合形成的谐振峰传感灵敏度最高。不对称的双开口环具有优越的传感性能,可用于生物医学等领域样品传感检测。     

一种宽频带超材料吸波体的设计及其特性

为了获得吸收率高、吸波带宽宽的超材料,设计了一种谐振超材料吸波体.该吸波体由多个开口圆环组成,采用商业软件CST Studio Suite 2009频域求解器计算了其在25～35 GHz波段内的S参量,并计算了其吸波率A(ω),在28.4 GHz处吸收率达到86％,带宽达到3.5 GHz.利用不同吸波频段的叠加效应,设计了一种谐振超材料吸波组合体,计算了在25～35 GHz波段的S参量,在29.7 GHz处吸波率达99.9％,吸波带宽达到3.1 GHz,吸收率明显增加.将GHz波段的结构缩小1 000倍,在THz波段同样可以达到高吸收,说明超材料吸波体可以通过对结构尺寸调节改变吸收波段.同时,对其阵列进行仿真计算,发现不同的排列方式仿真结果不同.由于各个谐振环之间的相互作用对吸收效果影响较大,吸收率减小.该吸波材料由金属组成,能灵活地对介电常量和磁导率进行调节,从而实现高吸收.     

非均匀缺陷环对微波左手材料的影响

以金属铜六边形开口谐振环(SRRs)与金属铜线的组合为结构单元，研究了三维左手材料中的 缺陷效应. 利用电路板刻蚀技术制备了左手材料样品，采用波导法测量了SRRs构成的点缺陷 和线缺陷对左手材料X波段（8—12 GHz）微波透射行为的影响. 实验结果表明，引入不同尺 寸SRRs构成的点缺陷，材料谐振峰强度下降，最多达6 dB，相当于原来的186%，谐振频率 移动，通频带宽在630—720 MHz范围变化；引入不同尺寸SRRs构成三种取向的线缺陷时，材 料谐振峰强度下降，最多达11 dB，相当于原来的34 关键词： 左手材料 缺陷效应     

基于柔性超材料的高灵敏度拉力传感器

提出了一种基于柔性超材料的高灵敏度拉力传感器,该超材料传感器由刻蚀在聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜表面的多方形谐振单元的平面阵列组成。拉伸柔性PDMS薄膜会改变谐振单元的结构参数,进而使传感器的谐振频率产生变化。该超材料传感器可以同时实现应变或拉力的高灵敏度检测。同时,谐振结构中央的方形连接环起到了不对称分裂间隙的作用,激发了具有更高Q值的高阶谐振模式,实现了更高的频谱分辨率。实验结果表明,施加拉力从0增大至1.2 N时,结构尺寸拉伸率达到初始状态的1.2倍,超材料的谐振峰频率从109.23 GHz红移到99.42 GHz。该传感器可以实现8.43 GHz/N的高灵敏度拉力传感。耐久性测试表明在该样品的使用中至少可以经历100次拉伸-松弛循环。所提出的传感器具有灵敏度高、加工方便、成本低和无线测量的优点,具有潜在的应用价值。     

一种宽频带超材料吸波体的设计及其特性

为了获得吸收率高、吸波带宽宽的超材料,设计了一种谐振超材料吸波体.该吸波体由多个开口圆环组成,采用商业软件CST Studio Suite 2009频域求解器计算了其在25~35 GHz波段内的S参量,并计算了其吸波率A(ω),在28.4 GHz处吸收率达到86%,带宽达到3.5 GHz.利用不同吸波频段的叠加效应,设计了一种谐振超材料吸波组合体,计算了在25~35 GHz波段的S参量,在29.7 GHz处吸波率达99.9%,吸波带宽达到3.1 GHz,吸收率明显增加.将GHz波段的结构缩小1 000倍,在THz波段同样可以达到高吸收,说明超材料吸波体可以通过对结构尺寸调节改变吸收波段.同时,对其阵列进行仿真计算,发现不同的排列方式仿真结果不同.由于各个谐振环之间的相互作用对吸收效果影响较大,吸收率减小.该吸波材料由金属组成,能灵活地对介电常量和磁导率进行调节,从而实现高吸收.     

柔性双阻带太赫兹超材料滤波器

提出并设计了一种极化不敏感的柔性双阻带太赫兹超材料滤波器,并采用CST 2015仿真软件对该滤波器的结构进行仿真;为深入研究超材料滤波器的传输特性,分别对该超材料滤波器在2个谐振吸收峰处的电场强度和表面电流分布进行仿真;为验证仿真结果的正确性,采用微加工工艺制备了超材料滤波器样品,使用太赫兹时域光谱系统对其传输特性进行测试。仿真结果表明:该滤波器在0.131THz和0.182THz处获得了3dB带宽分别为15GHz和10GHz的2个阻带,并且在这2个谐振频率点的传输系数S21可以达到-43.56dB和-48.76dB,表现出了良好的阻带特性;测试结果与仿真结果比较吻合。     

基于太赫兹超表面传感器的硝基呋喃类药物痕量检测

硝基呋喃是一种广谱抗生素，其衍生物应用广泛；但摄入过量，会发生溶血性贫血、急性肝坏死等疾病。传统检测方法样品用量大、检测时间长且过程复杂；超表面传感器检测方法样品用量小且检测快速、简单方便。提出一种基于对称开口环的太赫兹超表面微结构器件，该结构折射率灵敏度达到196 GHz/RIU，可应用于高灵敏度传感检测。利用该超表面传感器对两种不同质量浓度的呋喃唑酮和呋喃妥因溶液进行痕量实验检测，结果表明，该超表面传感器对两种药物的最低检测质量浓度达到10 mg/dL，有望应用于生物医学等领域样品的传感检测。     

一种太赫兹类电磁诱导透明超材料谐振器

理论和实验研究了一种由开口谐振环(SR)和双金属线(CW)组合的具有类电磁诱导透明(EIT)效应的SR/CW太赫兹谐振器。分别对由单侧开口和双侧开口谐振环的SR/CW谐振器特性进行了仿真,并分析了开口环在结构单元中位置的变化对谐振峰强度和品质因子Q的影响。结果表明,两个谐振器在0.7THz附近的谐振峰是由开口环LC谐振和双金属线偶极谐振干涉相消引起的。开口环位置变化对单侧开口环的SR/CW结构谐振峰强度和Q值影响较大,而对双侧开口环的SR/CW谐振器的影响很小。利用激光诱导与化学镀铜技术制备了SR/CW谐振器样品,并利用太赫兹时域光谱(THz-TDS)对样品进行了透射性能测试,测试结果与仿真分析基本相符。     

基于电磁场作用增强的超材料吸收体太赫兹微流传感器

为解决因分析物与局部增强电磁场弱相互作用而导致传感器灵敏度偏低的问题,通过引入微流控技术,提出一种基于电磁场作用增强的超材料吸收体太赫兹微流传感器。传感器与太赫兹波相互作用产生磁偶极子共振,在0.4～1.4 THz频段内可产生两个吸收率高于98%的谐振峰。同时,通过集成微流通道,极大促进了分析物与位于法布里-珀罗谐振腔内局部增强电磁场的相互作用,传感器灵敏度可达537 GHz/RIU。另外,结构单元设计为四重旋转对称结构,传感器具备良好的极化不敏感和宽入射角度不敏感特性。结果表明,所设计的传感器具有灵敏度高和偏振不敏感等特性,在无标记微量物质检测领域具有良好的应用潜力。     

双明模耦合的双波段类电磁诱导透明研究

本文设计了一种双层开口方环和双C型结构的超材料结构,在太赫兹波段具有双波段的类电磁诱导透明效应.该结构在1.438 THz和1.699 THz处出现透射峰.通过电磁场分布分析讨论产生双频带电磁诱导透明的原因,利用等效电路分析方法进一步解释了超材料中的类电磁诱导透明效应.研究了超材料开口方环的开口大小和双C型结构距离以及改变入射角度时对透射窗口的影响,结果发现在改变入射角度时,所设计材料透射谱线变化较大,表现出对角度的高敏感性.同时,改变环境的介电常数可以得到该结构的透射谱产生明显的红移.以上研究结果表明该结构在角度滤波器,折射率传感器等器件中有潜在的应用.     

基于石墨烯振幅可调的宽带类电磁诱导透明超材料设计

基于石墨烯的电控特性提出了一种由金属线谐振器和"H"型谐振器组成的宽带可调的类电磁诱导透明(类EIT)超材料结构.首先,利用CST Microwave Studio软件对该超材料结构的透射特性进行了仿真.该结构在1.05—1.46 THz内的透射窗由金属线谐振器的等离子谐振和"H"型谐振器的电感-电容谐振干涉相消引起,且暗模式谐振器的数量增多导致了透射窗带宽的增加.其次,仿真模拟了该结构在不同石墨烯费米能级下的透射特性.当石墨烯费米能级由0 eV逐渐增加到1.5 eV时,该结构透射窗在1.05—1.46 THz内的平均透射振幅由87%逐渐减少到25%,实现了宽带可调.同时,通过仿真模拟该结构在1.26 THz下的电场分布对其透射机理进行了分析,并实验制备了类EIT超材料结构样品,且利用太赫兹时域光谱对样品进行了透射性能测试,测试结果与仿真分析的趋势基本一致.     

连通的开口和闭口谐振环构成的磁超材料设计

在已有的磁超材料和左手材料结构中,负等效磁导率主要通过开口谐振环、平行短金属线对或者它们的变形结构来实现. 这些结构要求入射电磁波的电场方向平行于基板. 针对这一特点,利用将开口和闭口的谐振环相连通的思想,设计出了入射电磁波的电场方向垂直于基板型的三维磁超材料,并予以实验验证. 该对称结构中金属线线宽的变化对磁谐振频率影响很小,有利于实际的加工和应用. 同时,该结构对于设计三维以及具有极化无关、均匀各向同性等特点的磁超材料和左手材料具有参考价值. 关键词： 磁超材料 谐振环 电场方向     

基于相变材料的慢光和吸收可切换多功能太赫兹超材料

基于相变材料Ge₂Sb₂Te₅(GST)设计了一种太赫兹超材料,在太赫兹波段实现了慢光和吸收功能的切换.该超材料由三部分构成,分别是金环构成的微结构层、SiO₂介质层和GST薄膜.研究结果表明:当GST薄膜处于绝缘态时,由于两个谐振环的电磁诱导透明效应,入射THz光脉冲通过该THz超材料时群速度会减慢,最大群延迟可以达到3.6 ps;当GST薄膜转变为金属态时, THz超材料可实现双波段吸收,在0.365 THz处吸收率可以达到97%,在0.609 THz处吸收率可以实现完美吸收(吸收率100%).另外还研究了该THz超材料的入射光偏振不敏感特性,发现当入射光脉冲的偏振角从0°变化到90°时, THz超材料的慢光和吸收特性不受影响.所设计的THz超材料在光缓存器、光传感器、光开关等领域具有潜在的应用价值.     

太赫兹波段电磁超材料吸波器折射率传感特性

太赫兹超材料吸波器作为一类重要的超材料功能器件,除了可以实现对入射太赫兹波的完美吸收外,还可以作为折射率传感器实现对周围环境信息变化的捕捉与监测.通常从优化表面金属谐振单元结构和改变介质层材料和形态两个方面出发,改善太赫兹超材料吸波器的传感特性.为深入研究中间介质层对太赫兹超材料吸波器传感特性的影响,本文基于金属开口谐振环阵列设计实现了具有连续介质层、非连续介质层和微腔结构的3款太赫兹超材料吸波器,并对其传感特性与传感机理进行了深入研究.结果表明,为了提高太赫兹超材料吸波器的折射率灵敏度、最大探测范围等传感特性,除了可以选用相对介电常数较小的材料作为中间介质层外,还可以改变中间介质层的形态,进而减小中间介质层对谐振场的束缚,增强谐振场与被测分析物之间的耦合.与传统的具有连续介质层的太赫兹超材料吸波器相比,具有非连续介质层和微腔结构的超材料吸波器具有更优越的传感特性,可应用于对待测分析物的高灵敏度、快速检测,在未来的传感领域具有更加广阔的应用前景.