一种基于微腔谐振模式的太赫兹指纹检测灵敏度增强方法

摘要

本发明公开了一种基于微腔谐振模式的太赫兹指纹检测灵敏度增强方法，该方法的步骤为：针对某目标物质，假设其某一特征吸收频率为f0，首先设计一微腔谐振结构使其谐振频率处于f0，然后比较该微腔谐振结构在加载目标物质前后的透过率变化，通过该谐振频率是否漂移来识别目标物质的有无，并通过其透过率下降程度来对目标物质进行定量分析。本发明针对微腔谐振模式透过率对目标物质在f0处材料损耗的高度敏感，相比于传统的纯粹透射方式的指纹检测方法既能保持太赫兹光谱检测的指纹识别特性，又能大幅度提高检测灵敏度，同时实现纳米量级厚度目标物质的识别与测量，适用于不同目标物质、不同探测灵敏度及不同探测范围的高灵敏度指纹检测。

权利要求

1.一种基于微腔谐振模式的太赫兹指纹检测灵敏度增强方法，其特征在于，由以下的步骤组成：步骤a、设计用于检测的微腔谐振结构，微腔谐振结构为一维结构的光子晶体微腔结构，由一缺陷腔长度可调节的中间缺陷空气层和两个分别位于中间缺陷空气层两侧的周期性布拉格反射镜构成，所述中间缺陷空气层作为物质指纹检测的加载区域，所述微腔谐振结构具有微腔缺陷模式，所述微腔缺陷模式为太赫兹波通过一侧的布拉格反射镜垂直入射后，在中间缺陷空气层内来回反射形成的高品质因子谐振模式；步骤b、将待检测物质加载在微腔谐振结构中，测试并记录待检测物质在微腔谐振结构内的太赫兹透射谱；步骤c、通过分析太赫兹透射谱的透过率判断目标物质是否存在，所述步骤a中，首先选取目标物质其中一项特征吸收频率f0，然后设计微腔谐振结构，该微腔谐振结构的谐振频率处于f0，所述步骤b中的太赫兹透射谱为微腔谐振结构在f0附近的太赫兹透射谱，所述步骤c中，当太赫兹透射谱的缺陷模式透过率出现衰减且无明显频移时，说明目标物质存在；当缺陷模式透射率只是出现频移而无明显衰减时，说明待检测物质并非目标物质。

2.根据权利要求1所述的基于微腔谐振模式的太赫兹指纹检测灵敏度增强方法，其特征在于，两个所述布拉格反射镜的结构相同，且两个所述布拉格反射镜左右对称设置在中间缺陷空气层的两侧。

3.根据权利要求2所述的基于微腔谐振模式的太赫兹指纹检测灵敏度增强方法，其特征在于，所述布拉格反射镜由两种不同的材料交替堆砌构成，且两种材料之间形成高折射率对比层。

4.根据权利要求3所述的基于微腔谐振模式的太赫兹指纹检测灵敏度增强方法，其特征在于，所述布拉格反射镜由高阻硅层和空气层交替排列构成高折射率对比层，且两个布拉格反射镜与中间缺陷空气层组成法布里-玻罗谐振腔结构。

5.根据权利要求1所述的基于微腔谐振模式的太赫兹指纹检测灵敏度增强方法，其特征在于，所述步骤a中的微腔谐振结构为基于Si材料的片上环形或法布里玻罗型。

6.根据权利要求1或2或5所述的基于微腔谐振模式的太赫兹指纹检测灵敏度增强方法，其特征在于，所述步骤b中，首先检测并记录微腔谐振结构在加载待检测物质前后的太赫兹透过率；所述步骤c中通过比较加载有待检测物质的微腔谐振结构的变化来识别目标物质的有无。

7.根据权利要求6所述的基于微腔谐振模式的太赫兹指纹检测灵敏度增强方法，其特征在于，所述步骤c中判断目标物质存在后，通过计算透射谱的峰值透过率的衰减程度计算目标物质的加载量，透射谱的峰值透过率和目标物质的加载量相关，本方法在实现加载物质的种类识别同时，还能在加载物质与目标物质一致时实现对其定量分析。

说明书

一种基于微腔谐振模式的太赫兹指纹检测灵敏度增强方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种采用微腔高品质因子谐振作为探测信号来实现高灵敏度太赫兹物质种类识别及定量分析的方法，属于太赫兹检测应用技术领域。

背景技术

[0002] 通过折射率测量可以实现物质的溶度、厚度等的定量测量，但不能实现物质的种类识别。由于绝大多数的生物分子的集体振动，分子间或分子内的转动产生谐振，其吸收特征频域位于太赫兹波段，因此可以通过物质对太赫兹波的吸收光谱“指纹”来实现对各种物质的种类识别，这是当前太赫兹应用中最具有吸引力的地方。另外，太赫兹波具有低光子能量、弱辐射以及在绝大多数介质材料中透明等特点，从而使得太赫兹在安全检测及疾病诊断等具有得天独厚的优势。然而，由于绝大多数分子结构尺寸和吸收截面相比于太赫兹波长(30-3000μm)非常小，分子与太赫兹波的相互作用强度非常弱。为了获得明显的吸收效果往往需要较大体积或者较厚尺寸的样品，传统的以透射方式进行太赫兹指纹检测是将待检测物质碾压成粉末并压制成片状，结合太赫兹光谱仪系统对其进行透射谱观察(L.Ho，et all，Signatures and fingerprints，Nat.Photonics，Vol.2，no.9，pp.541-543，2008.)。然而这种方式下常用的样品压片厚度高达几个毫米，这严重限制了太赫兹指纹检测的应用范围。研究人员采用多种手段致力于提高局域场强或者增加电磁波与物质的相互作用长度，来提升太赫兹指纹检测灵敏度，但效果都不是很理想。例如，D.K.Lee等人(D.K.Lee,et all,Highly sensitive and selective sugar detection by terahertz nao-antennas,Sci.Rep.,Vol.5,2015.)利用太赫兹纳米狭缝天线增强局域场强，对低浓度各类糖类溶液(糖类固体含量大约几百毫克每升)进行特征挑选，虽然可以有效地区分不同的糖类，但透射谱中指纹信号仍然很弱，很难在实际操作中得到放大的指纹信号；T.S.Bui等人(T.S.Bui,et all,Metamaterial-enhanced vibrational absorption spectroscopy for the detection of protein molecules,Sci.Rep.Vol.6,2016.)试图通过超材料结构对薄膜蛋白质指纹吸收信号进行放大，但超材料结构加载蛋白质的透射谱对超材料结构本身的透射谱做了归一处理，至于该超材料结构对蛋白质指纹信号的放大能力并不明确。利用天线结构或者超材料结构增强局域场强，增加生物分子的吸收横截面其效果目前并不理想。因此J.J.Yang等人(J.J.Yang,et all,Broadband molecular sensing with a tapered spoof plasmon waveguide,Opt.Express,Vol.23,no.7,pp.8583-8589,2015.)利用金属锥形波导结构增加太赫兹波与检测物质的相互作用长度以提高检测灵敏度，但是该金属锥形波导是二维结构，不仅生物用量不明确而且调节该结构参数适用于其它生物分子特征指纹检测非常复杂。除此之外，P.Weis等人(P.Weis,et all,Hybridization induced transparency in composites of metamaterials and atomic media,Opt.Express,Vol.19,no.23,pp.23573-23580,2011.)等人提出了一种新的方法，利用超材料谐振模式与生物分子指纹吸收峰杂化形成诱导透射峰，该结构虽然简单易于加工，但50m厚度的-乳糖其指纹信号仍然小于10％，灵敏度仍然不够高。

发明内容

[0003] 本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种基于微腔谐振模式的太赫兹指纹检测灵敏度增强方法，它所要解决的技术问题是如何提高太赫兹指纹的检测灵敏度。

[0004] 本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种基于微腔谐振模式的太赫兹指纹检测灵敏度增强方法，其特征在于，由以下的步骤组成：步骤a、设计用于检测的微腔谐振结构；步骤b、将待检测物质加载在微腔谐振结构中，测试并记录待检测物质在微腔谐振结构内的太赫兹透射谱；步骤c、通过分析太赫兹透射谱的透过率判断目标物质是否存在。

[0005] 本方法采用中的检测装置具有高透过率及高Q特征，结合太赫兹透射谱进行分析，可以实现纳米量级厚度待检测物质的特征指纹检测，具有检测灵敏度高及指纹信号增强效果明显等特点。

[0006] 在上述的基于微腔谐振模式的太赫兹指纹检测灵敏度增强方法中，所述步骤a中，首先选取目标物质其中一项特征吸收频率f0，然后设计微腔谐振结构，该微腔谐振结构的谐振频率处于f0，所述步骤b中的太赫兹透射谱为微腔谐振结构在f0附近的太赫兹透射谱。微腔谐振结构具有谐振频率与目标物质某一特征吸收频率f0一致的微腔谐振模式，且该谐振频率唯一。

[0007] 在上述的基于微腔谐振模式的太赫兹指纹检测灵敏度增强方法中，所述步骤a中的微腔谐振结构为一维结构的光子晶体微腔结构，由一缺陷腔长度可调节的中间缺陷空气层和两个分别位于中间缺陷空气层两侧的周期性布拉格反射镜构成，所述中间缺陷空气层作为物质指纹检测的加载区域，所述缺陷模式为太赫兹波通过一侧的布拉格反射镜垂直入射后，在中间缺陷空气层内来回反射形成的高品质因子谐振模式。光子晶体中心谐振频率可以在光子晶体带隙内发生移动，具有很强的调节性，适用于不同物质分子的特征指纹检测，即本微腔谐振结构的谐振模式可根据不同的检测物对缺陷腔长度进行调节，其微腔结构具有缺陷模式可调谐、高透过率及高品质因子特征，可实现纳米量级厚度的特征指纹检测。

[0008] 在上述的基于微腔谐振模式的太赫兹指纹检测灵敏度增强方法中，两个所述布拉格反射镜的结构相同，且两个所述布拉格反射镜左右对称设置在中间缺陷空气层的两侧。

[0009] 在上述的基于微腔谐振模式的太赫兹指纹检测灵敏度增强方法中，所述布拉格反射镜由两种不同的材料交替堆砌构成，且两种材料之间形成高折射率对比层。

[0010] 在上述的基于微腔谐振模式的太赫兹指纹检测灵敏度增强方法中，所述布拉格反射镜由高阻硅层和空气层交替排列构成高折射率对比层，且两个布拉格反射镜与中间缺陷空气层组成法布里-玻罗谐振腔结构。太赫兹波通过布拉格反射镜在中间缺陷空气层内形成高品质因子谐振模式，硅层或者空气层的个数可根据检测物质厚度的测量范围和谐振品质因子值进行折中选择，硅层或者空气层个数越多，结构的整体透过率越小，但品质因子值会增加，待检测物质厚度的测量范围随之减小。

[0011] 在上述的基于微腔谐振模式的太赫兹指纹检测灵敏度增强方法中，所述微腔谐振结构为基于Si材料的片上环形或法布里玻罗型。

[0012] 在上述的基于微腔谐振模式的太赫兹指纹检测灵敏度增强方法中，所述步骤b中，首先检测并记录微腔谐振结构在加载待检测物质前后的太赫兹透过率；所述步骤c中通过比较加载有待检测物质的微腔谐振结构的变化来识别目标物质的有无。

[0013] 在上述的基于微腔谐振模式的太赫兹指纹检测灵敏度增强方法中，所述步骤c中，当太赫兹透射谱的缺陷模式透过率出现衰减且无明显频移时，说明目标物质存在；当缺陷模式透射率只是出现频移而无明显衰减时，说明待检测物质并非目标物质。

[0014] 在上述的基于微腔谐振模式的太赫兹指纹检测灵敏度增强方法中，所述步骤c中判断目标物质存在后，通过计算透射谱的峰值透过率的衰减程度计算目标物质的加载量。透射谱的峰值透过率和目标物质的加载量相关，本方法在实现加载物质的种类识别同时，还能在加载物质与目标物质一致时实现对其定量分析。

[0015] 与现有指纹检测方法相比，本发明基于微腔缺陷信号受微腔内材料损耗的巨大影响以及物质本征损耗在其特征吸收频率附近最大这两个特点，既能保持太赫兹光谱检测的指纹识别特性，又能大幅度提高和增强检测灵敏度，同时实现纳米量级厚度目标物质的识别与测量，适用于不同目标物质、不同探测灵敏度及不同探测范围的高灵敏度指纹检测。

附图说明

[0016] 图1是微腔增强太赫兹指纹检测灵敏度的原理简图。(a)目标物质本身对太赫兹波的吸收较弱；(b)微腔增强下加载有目标物质的微腔对太赫兹波的吸收强度。

[0017] 图2是一维光子晶体微腔结构示意图。

[0018] 图3中a)一维光子晶体微腔本身太赫兹透过率；b)一维光子晶体微腔在缺陷中加载不同厚度α-乳糖时的透过率；c)不同厚度的α-乳糖本身透过率；d)一维光子晶体微腔加载不同厚度的α-乳糖时透过率峰值与α-乳糖厚度的指数拟合函数关系。

[0019] 图4是一维光子晶体微腔对于加载相同0.1微米厚度的α-乳糖及另一种吸收频率在0.62THz处物质的透过谱对比。

具体实施方式

[0020] 以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

[0021] 本发明为一种基于微腔高品质因子谐振模式的太赫兹指纹检测方法，其特征在于，由以下的步骤组成：

[0022] 步骤a、首先选取目标物质其中一项特征吸收频率f0，然后设计微腔谐振结构，该微腔谐振结构的谐振频率处于f0；

[0023] 步骤b、将少量待检测物质加载在微腔谐振结构中，测试并记录待检测物质在微腔谐振结构位于f0附近的太赫兹透射谱；

[0024] 步骤c、通过比较加载有待检测物质的微腔谐振结构的变化来识别目标物质的有无，具体为当太赫兹透射谱的缺陷模式透过率出现衰减且无明显频移时，说明目标物质存在；当缺陷模式透射率只是出现频移而无明显衰减时，说明待检测物质并非目标物质；判断目标物质存在后，通过计算透射谱的峰值透过率的衰减程度计算目标物质的加载量。

[0025] 基于微腔谐振模式的太赫兹指纹检测灵敏度增强方法，其检测原理简图如附图1所示。由于目标物质在特征频率处吸收较弱，太赫兹波通过较薄目标物质后的衰减较弱，在透过谱中难以被识别(如图1(a))。但当把目标物质放置在高品质因子、谐振频率对应于目标物质本征吸收频率的腔体内时，由于微腔缺陷模式受腔体内材料损耗的高度影响，该微腔谐振频率的透过率将大幅度衰减(如图1(b))。基于上述微腔增强原理，本实施例结合附图以一种光子晶体微腔结构为例，阐述对α-乳糖的识别及定量分析过程，并对本发明指纹检测方法进行进一步详述：

[0026] 该光子晶体微腔结构由一作为物质指纹检测的加载区域的中间缺陷空气层和两个左右对称分布的相同的布拉格反射镜构成，两个布拉格反射镜和中间缺陷空气层内形成法布里-玻罗谐振腔结构，太赫兹波通过布拉格反射镜在中间缺陷腔内形成高品质因子谐振模式。其中布拉格反射镜可选用两种不同的材料形成高折射率对比层，具体为高阻硅层和空气层交替排列构成高折射率对比层，硅层或者空气层的个数可根据检测物质厚度的测量范围和谐振品质因子值进行折中选择，硅层或者空气层个数越多，结构的整体透过率越小，但品质因子值会增加，待检测物质厚度的测量范围随之减小。该结构是一维结构，缺陷腔长度dc，光子晶体周期P可以根据不同的待检测物质进行调节，匹配不同的特征吸收线，实现物质的特征指纹检测。谐振模式可根据不同的检测物对缺陷腔长度dc进行调节，光子晶体中心谐振频率可以在光子晶体带隙内发生移动，具有很强的调节性，适用于不同物质分子的特征指纹检测。该检测装置具有缺陷模式可调谐、高透过率及高品质因子特征，可实现纳米量级厚度的特征指纹检测。

[0027] 该光子晶体微腔的结构示意图如附图2所示：太赫兹波通过左边的布拉格反射镜垂直入射，在中间缺陷空气腔内来回反射形成高品质因子谐振模式即缺陷模式。通过数值计算方法模拟调节结构参数在缺陷长度dc＝319μm,空气层厚度da＝100μm,高阻硅层厚度ds＝233μm情况下，该光子晶体微腔结构在光子晶体禁带内仅存在一个谐振模式，谐振频率为0.529THz，对应于目标物质α-乳糖的某吸收频率。从图3(a)可以看到该谐振模式透过率接近100％并且峰值半高宽为0.435GHz。在一维光子晶体微腔缺陷腔中心加载不同厚度的α-乳糖后，其透过率的局部放大图如图3(b)。在仿真中α-乳糖的相对介电常数利用洛伦兹-谐振子(Lorentzian oscillators)模型进行表征：

[0028]

[0029] 其中ε∞是非共振的的背景相对介电常数，ωp和γp分别是本征吸收谐振的角频率和阻尼率，Δεp是振荡强度因子。为了简单计算，仅考虑α-乳糖在0.529THz处的吸收，为了11
更好地为何实验测量值其它的洛伦兹模型参数为：ε∞＝3.145，γp＝1.59*10 rad/s,Δεp＝0.052(A.Roggenbuck,et all,Coherent broadband continuous-wave terahertz spectroscopy on solid-state samples,New J.Phys.Vol.12,no.4,pp.043017,2010)。

[0030] 由于该谐振结构的谐振频率位于-乳糖的吸收指纹频率处，并且谐振模式特性受α-乳糖在0.529THz的损耗影响，从而即使α-乳糖厚度仅为50nm厚度时，整个结构的透过谱也会呈现明显的透过率下降，由原来的100％下降到74％，改变了26％。由于加载的α-乳糖厚度较薄，所产生的腔内光程变化可忽略，谐振峰的位置几乎没有移动。随着α-乳糖厚度增加，由于腔内加载的α-乳糖所引起的光程改变量已不可忽略，透过率整体下降更加明显并且伴有轻微的红移现象。从图3(d)可以看到，光子晶体微腔加载不同厚度的-乳糖，结构整体的透过率峰值与其厚度呈现指数函数关系，并且由于α-乳糖吸收谱在0.529THz处较窄，在小于1.0m厚度时结构整体透过率的峰值随着其厚度的增加而明显下降。由3(d)可见，为了获得更高的指纹检测灵敏度，可以进一步提高该光子晶体微腔的品质因子值。假设透过率改变可以被观察到的极限为5％，则该一维光子晶体微腔可检测的α-乳糖分子厚度可以降到7nm。如此高的指纹检测灵敏度从来没有在文献中报道过。另外，当α-乳糖厚度超过1m时，通过该光子晶体微腔的透过率峰值呈现饱和状态，这说明这种结构进行α-乳糖定量分析的动态范围大概在1微米。为了获得更高的检测厚度动态范围，可以调节结构参数减小品质因子值即减弱灵敏度可获得更大的动态范围。

[0031] 为了对比该光子晶体微腔增强指纹检测效果，图3(c)模拟仿真了不同厚度的α-乳糖自身的透过率曲线。从图3(c)可以看到，0.05m的α-乳糖在谐振频率处的透过率衰减为仅仅0.06％，即使增加其厚度到0.3μm甚至0.5μm，透过率衰减也只有0.34％及0.59％。而通过加载有0.05μm厚度α-乳糖的一维光子晶体微腔结构，其透过率衰减为26％，比直接通过0.05μm的α-乳糖的透过率改变放大了433倍。并且当α-乳糖更薄降至7nm时，其峰值透过率衰减在采用该微腔增强时比只用α-乳糖本身时放大520多倍。也就是说，通过该一维光子晶体微腔结构形成高品质因子谐振，对α-乳糖的指纹信号可以放大高达500多倍，这使得纳米量级厚度的α-乳糖在实验操作中很容易检测到其指纹信号。

[0032] 为了验证该方法仍然能保持太赫兹光谱对物质的识别特性，我们换用另一种待检测物质B加载到该微腔结构中。我们假设物质B的本征吸收频率在0.62THz，偏离-乳糖的吸收频率0.529THz。加载有厚度0.1μm物质B的同一微腔结构的透过率曲线如图4中红色虚线所示，该图同时给出了加载有相同厚度α-乳糖的透过率曲线作为对比。可见，该微腔结构的峰值透过率改变只对α-乳糖有效，而对物质B微腔的缺陷峰仅仅出现频域上的轻微移动，而没有峰值的改变。这进一步说明了基于一维光子晶体微腔结构，依据透过率整体变化与材料损耗的依赖关系可以实现物质的特征指纹检测灵敏度提高，同时该方法具有物质选择性及物质识别能力。

[0033] 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。