可开关控制的双工作波段高品质因子超表面传感器及系统

本发明属于微纳超表面传感，涉及了一种可开关控制的双工作波段高品质因子超表面传感器及系统，可应用于气体传感、生物传感等。

背景技术：

1、在亚波长尺度上具有高品质(q)因子共振和强光聚集的超表面在传感器、非线性光学和纳米激光器等领域具有广阔的应用前景；而传统的表面等离子体金属超表面由于欧姆损耗等原因，导致谐振峰的光谱谱线较宽，品质(q)因子小，极大的限制了应用范围。在进行传感测量时，也会导致测量结果存在较大误差。由介质材料组成的全介质超表面，因其材料具有更低的本构损耗，可以实现具有高q因子的共振谱线。

2、连续体中的束缚态(bound states in the continuum,bic)最早由von neumann和wigner在量子力学中提出。经过研究发现超表面结构不对称性与共振q因子之间的关系可以用特征反平方定律来描述。这种对称性保护型bic来自于谐振器的本征模式与外部传播模式之间由于对称性失配而产生的耦合，从而导致局域态嵌入连续体中。理想情况下，bic在完全对称的纳米结构中表现出无限大的q因子和零共振线宽，因此在光谱中不能检测到。在实际应用中，可以通过破坏结构的对称性、改变局部结构材料的折射率或者调整光源的入射角度来诱导bic转变为准bic。由于准bic具有超高q因子、极窄线宽和极大的电场增强，因此在生物传感、非线性光学、气体传感和光调制器等领域具有广阔的应用前景。近年来，准bic共振已在介电常数不对称的四聚体阵列、硅矩形棒、硅纳米盘阵列、开槽圆盘等结构实现，并且应用到了传感领域中。

3、ge2sb2te5(gst)是一种高折射率的相变材料，具有晶态(c-gst)和非晶态(a-gst)两种状态，通过磁控溅射的gst薄膜处于非晶态，将其进行160℃以上的退火后，会转变为晶态；晶态在640℃高温的快速退火后，又可以回到非晶态。gst材料在非晶态和晶态之间转换时，折射率实部变化量δn≈2。在室温下，gst材料可以保持当前状态长达数年，性质稳定，因而是一种极具潜力的非易失性光电功能材料。同时，因为其结晶速度快、稳定性好、功耗低，可以应用到热发射和光学开关等领域；再加上gst是一种高折射率的介质材料，符合准bic的产生需要高折射率介质材料，可以将两者相结合，设计成一种具有开关特性高品质因子的准bic超表面器件。

技术实现思路

1、本发明的目的在于设计一种可开关控制的双工作波段高品质因子超表面传感器及传感系统，来解决金属超表面低品质因子，以及常规传感器不具备开关切换的问题。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

3、本发明的一方面提供了一种可开关控制的双工作波段高品质因子超表面传感器，包括衬底和衬底之上的全电介质超表面结构阵列；

4、所述的全电介质超表面结构阵列包括若干个全电介质超表面结构单元，若干个所述全电介质超表面结构单元呈矩阵布置；

5、所述的全电介质超表面结构单元呈四叶草结构，由四个半径大小相等的圆柱体和中间的正方体组成，其材料为ge2sb2te5，通过改变该材料的晶态，实现传感器的开关控制；

6、当所述的全电介质超表面结构单元为非晶态时，其透射谱中存在两个准束缚态谐振峰；

7、在所述的全电介质超表面结构单元上还开有圆柱形空气孔，用于形成空间不对称结构，从而得到具有高品质的准束缚态谐振峰。

8、优选的，所述的衬底材料为caf2。

9、优选的，圆柱体的半径为110nm，圆柱形空气孔的孔径为140nm。

10、本发明的另一方面提供了一种全介质超表面传感检测系统，该系统包括近红外光源，可开关控制的双工作波段高品质因子超表面传感器，近红外探测器和数据分析与采集装置，近红外光源发出的光经超表面传感器后由近红外探测器接收，所述的近红外探测器与数据分析与采集装置信号连接。

11、本发明的有益效果是：

12、1.本发明中所设计的准bic传感器具有具有极高的q因子和高的折射率灵敏度。

13、2.本发明中所设计的准bic传感器在近红外波段具有两个工作波长，适用多种应用场景检测。

14、3.本发明中通过改变材料的晶态，可以实现对传感器的开关控制。

技术特征：

1.一种可开关控制的双工作波段高品质因子超表面传感器，其特征在于，包括衬底和衬底之上的全电介质超表面结构阵列；

2.根据权利要求1所述的一种可开关控制的双工作波段高品质因子超表面传感器，其特征在于，所述的衬底材料为caf2。

3.根据权利要求1所述的一种可开关控制的双工作波段高品质因子超表面传感器，其特征在于，圆柱体的半径为110 nm，圆柱形空气孔的孔径为140 nm。

4.一种全介质超表面传感检测系统，其特征在于：包括近红外光源，可开关控制的双工作波段高品质因子超表面传感器，近红外探测器和数据分析与采集装置，近红外光源发出的光经超表面传感器后由近红外探测器接收，所述的近红外探测器与数据分析与采集装置信号连接。

技术总结
本发明公开了一种可开关控制的双工作波段高品质因子超表面传感器及系统。本发明的超表面传感器包括衬底和全电介质超表面结构阵列；全电介质超表面结构阵列包括若干个全电介质超表面结构单元，所述的全电介质超表面结构单元呈四叶草结构，由四个半径大小相等的圆柱体和中间的正方体组成，其材料为GST，通过改变该材料的晶态，实现传感器的开关控制；在所述的全电介质超表面结构单元上还开有圆柱形空气孔，用于形成空间不对称结构。本发明传感器具有具有极高的Q因子和高的折射率灵敏度。该传感器在近红外波段具有两个工作波长，适用多种应用场景检测，并通过改变材料的晶态，可以实现对传感器的开关控制。

技术研发人员：罗丝,周如军,陈达如
受保护的技术使用者：浙江师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13