CN120195128A 一种基于u形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器

地址310000浙江省杭州市下沙高教园区学源街258号司33475专利代理师李珍珍一种基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感y本方案提供了一种基于U形-圆形紧凑结构y21.一种基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器，其特征在于，包括：至少一阵列排布的传感单元；其中每一传感单元包括自上而下的石墨烯层和介质层，其中石墨烯层包括U形条带谐振器和圆形条带谐振器，其中U形条带谐振器置于圆形条带谐振器圆环内，且圆形条带谐振器和U形条带谐振器之间留有间隙。2.根据权利要求1所述的基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器，其特征在于，其中U形条带谐振器作为明模，圆形条带谐振器作为暗模，以通过明-暗模耦合机制产生电磁诱导透明效应。3.根据权利要求1所述的基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器，其特征在于，U形条带谐振器相对于圆形条带谐振器的圆心轴对称。4.根据权利要求1所述的基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器，其特征5.根据权利要求1所述的基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器，其特征6.根据权利要求1所述的基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器，其特征7.根据权利要求1所述的基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器，其特征在于，在1.75~1.83THz范围内产生E8.根据权利要求1所述的基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器，其特征在于，通过对圆形条带谐振器和U形条带谐振器施加独立偏压，以调控圆形条带谐振器和U形条带谐振器的费米能级差值，实现动态开关以及频段微调。9.根据权利要求8所述的基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器，其特征在于，调控圆形条带谐振器和U形条带谐振器的费米能级差值大于0.3eV时，关闭传感功能；调控圆形条带谐振器和U形条带谐振器的费米能级差值每增加0.1eV,窗口频率蓝移10GHz。10.根据权利要求1所述的基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器，其特征在于，通过对圆形条带谐振器和U形条带谐振器施加同一偏压，调整石墨烯费米能级控制在3技术领域[0001]本发明涉及太赫兹传感和超材料应用的技术领域，特别是一种基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器，尤其适用于生物分子检测及抗生素浓度监测。背景技术[0002]随着太赫兹技术的快速发展，其在生物医学检测领域的应用潜力逐渐显现。太赫兹波独特的穿透性与分子指纹特性，使其能够高效检测微量生物分子。电磁诱导透明(EIT)效应作为一种重要的物理现象，因其高灵敏度特性被广泛应用于超材料传感器设计中。[0003]然而，传统基于金属超材料的EIT传感器在实际应用中面临严峻挑战。首先，金属材料在太赫兹频段存在显著的欧姆损耗，导致能量传输效率低下，严重制约传感器灵敏度的提升；其次，金属超材料的功能固化问题突出，其性能调谐仅能通过机械调整结构参数实现，无法动态适配复杂多变的环境需求；此外，传统超材料对入射电磁波的偏振方向高度敏[0004]例如，现有公开技术中基于金属谐振器的EIT传感器灵敏度普遍低于300GHz/RIU,且偏振依赖性导致其难以在非理想入射条件下保持稳定性能。更为关键的是，金属超材料的EIT窗口调谐范围有限，通常仅覆盖窄频段，无法满足宽频检测需求，极大限制了其在多场景检测中的应用。[0005]近年来，石墨烯材料因其优异的电学特性与化学稳定性受到广泛关注，石墨烯的高载流子迁移率与表面等离子体共振特性，使其成为替代金属超材料的理想选择。然而，现有研究多聚焦于石墨烯的静态特性，对其动态可调谐性与环境适应性探索不足。例如，部分研究通过改变石墨烯费米能级实现频率调谐，但未能解决多谐振器独立调控问题；另一些工作虽提出偏振不敏感设计，却未验证其在复杂电磁环境下的实际性能，此外，现有传感器在微型化与集成化方面仍有欠缺，难以满足便携式检测设备的应用需求。[0006]换言之，目前市面上存在的太赫兹传感器存在一些亟待解决的技术难题：1.高损耗与低灵敏度：金属材料欧姆损耗导致能量利用率低，传感性能受限；2.功能固化：传统传感器无法通过电学手段动态调控，依赖结构参数调整，灵活性差；3.偏振依赖性：检测结果受入射电磁波偏振方向影响，稳定性不足；4.带宽段检测需求。[0007]因此，开发一种兼具高灵敏度、偏振不敏感、宽带可调谐且易于集成的太赫兹超材料传感器，成为生物医学检测领域亟待突破的技术难题。发明内容[0008]本发明的目的在于提供一种基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器，[0009]为实现以上目的，本技术方案提供一种基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫4至少一阵列排布的传感单元；其中每一传感单元包括自上而下的石墨烯层和介质层，其中石墨烯层包括U形条带谐振器和圆形条带谐振器，其中U形条带谐振器置于圆形条带谐振器圆环内，且圆形条带谐振器和U形条带谐振器之间留有间隙。[0010]相较现有技术，本技术方案具有以下特点和有益效果：紧凑结构设计：采用圆形条带谐振器与U形条带谐振器集成于石英介质基板的方偏振不敏感机制：通过圆形条带谐振器与U形条带谐振器的对称结构设计，使基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器在x/y偏振入射下均能激发稳定EIT窗口，透射率偏差小于3%;电可调谐特性：利用石墨烯费米能级随外加电压变化的特性，动态调控EIT窗口频双模式调控：能够通过全局电压调控石墨烯费米能级(0.3-0.7eV),实现EIT窗口红移/蓝移；也能够对圆形与U形条带施加独立偏压，通过费米能级差值(△E~f~)控制EIT窗口开关状态；高灵敏度传感：通过明-暗模耦合增强局域电场，实现折射率灵敏度最高598GHz/RIU,支持痕量抗生素分子检测。附图说明[0011]图1是本方案提供的一种基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器单元结构示意图。[0012]图2是本发明所设计的一种基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器的EIT机制分析图。[0013]图3是本发明所设计的一种基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器的偏振敏感性分析曲线图。[0014]图4是本发明所设计的一种基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器的电场分析图。[0015]图5是本发明所设计的一种基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器的三能级原理示意图。[0016]图6是本发明所设计的一种基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器的圆条带谐振器半径r对透射曲线的影响示意图。[0017]图7是本发明所设计的一种基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器的圆条带谐振器宽度q对透射曲线的影响示意图。[0018]图8是本发明所设计的一种基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器的U形条带谐振器的开口宽度w对透射曲线的影响示意图。[0019]图9是本发明所设计的一种基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器的入射角度θ对透射曲线的影响示意图。[0020]图10是本发明所设计的一种基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器的不同费米能级对应的透射曲线图。5[0021]图11是本发明所设计的一种基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器[0022]图12是本发明所设计的一种基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器[0023]图13是本发明所设计的一种基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器[0024]图14是本发明所设计的一种基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器[0025]图15是本发明所设计的一种基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器[0026]图16是本发明所设计的一种基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器[0027]图17是本发明所设计的一种基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器[0029]本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。至少一阵列排布的传感单元；其中每一传感单元包括自上而下的石墨烯层和介质层，其中石墨烯层包括U形条[0031]在本方案的实施例中，U形条带谐振器和圆形条带谐振器为石墨烯材料，并共同组成传感单元的谐振部分，其中U形条带谐振器作为明模，圆形条带谐振器作为暗模，以通过明-暗模耦合机制产生电磁诱导透明(EIT)效应。激发以形成明模谐振，而圆形条带谐振器在太赫兹的电磁波入射下能够无法被直接激发，但是其在U形条带谐振器的近场耦合作用下间接激发形成暗模谐振，而明模谐振和暗模谐6[0033]在一些实施例中，U形条带谐振器相对于圆形条带谐振器的圆心轴对称，正是这样的U形条带谐振器和圆形条带谐振器的对称布局设计使得该基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器可对入射的电磁波的偏振方向不敏感。特别值得一提的是，不同于其他对称结构，本方案特别设计了圆形条带谐振器以彻底消除偏振依赖性，本方案的基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器的频率偏移<5GHz,透射率差异<3%,且在0-25°入射角及温湿度波动下，灵敏度波动<5%,适用于复杂环境。[0034]在一些实施例中，介质层采用石英材质，石英的相对介电常数为1.9,使得该基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器具有低损耗和高热稳定性，介质损耗降低至0.01dB/mm,特别适合便携式设备的太赫兹频段的电磁波传输。[0035]在一些实施例中，介质层的厚度d为8~12μm,以确保电磁波在介质中的传输效率最烯的电导率高度匹配，进而可实现高达598GHz/RIU的灵敏度。[0036]在一些实施例中，介质层为长宽相同的正方形，其中介质层的沿着x方向的边长P和沿着y方向的边长P,为50~70μm。优选的，介质层的沿着x方向的边长P和沿着y方向的边长P,均为60μm,以确保传感单元具有高度的紧凑性和高集成度。[0037]在一些实施例中，U形条带谐振器和圆形条带谐振器均采用相同厚度的石墨烯，U形条带谐振器和圆形条带谐振器的厚度为0.001μm,石墨烯的高载流子迁移率和可调谐费米能级特性，使其成为实现动态调谐的理想材料。[0038]在一些实施例中，采用表面阻抗匹配模型表征石墨烯层的光电性能。[0039]在一些实施例中，U形条带谐振器为由两条竖条和连接两条竖条的横条组成的U形结构，且两个竖条相互平行且长度相同，横条垂直相交于两个竖条的端点位置。[0040]对应的，U形条带谐振器的横条的长度即为U形条带谐振器的开口宽度w,U形条带谐振器的竖条的长度为U形条带谐振器的外边长1。在一些实施例中，U形条带谐振器的开口[0041]在一些实施例中，U形条带谐振器为等宽设置的石墨烯条带，其中条带的宽度t为2[0043]在一些实施例中，圆形条带谐振器为等宽设置的石墨烯条带，其中条带的宽度q为[0044]在一些实施例中，该基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器在0-25°入射角范围内，传感器可保持高稳定性(透射率波动<10%,频率偏移<10GHz);在25-75°入[0045]在一些实施例中，基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器适用于四环类抗生素的检测。本方案的基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器可在1.75~1.83THz范围内产生EIT窗口，而四环素抗生素的太赫兹特征吸收峰位于1.5~2.0THz。[0046]在一些实施例中，通过对圆形条带谐振器和U形条带谐振器施加独立偏压以调控圆形条带谐振器和U形条带谐振器的费米能级差值。本方案通过调节费米能级差值实现了动态开关功能以及频段微调功能，进而可使得本方案提供的基于U形-圆形紧凑结构的偏振7不敏感太赫兹传感器特别适合于多参数检测(如同时监测不同抗生素浓度)提供了硬件基础。[0047]具体的，通过对圆形条带谐振器和U形条带谐振器施加独立偏压，调控圆形条带谐振器和U形条带谐振器的费米能级差值大于0.3eV时，关闭传感功能，此时EIT窗口透射率骤降至20%。[0048]另外，通过调节圆形条带谐振器和U形条带谐振器的独立偏压，调控圆形条带谐振器和U形条带谐振器的费米能级差值以实现窗口频率的蓝移。在本方案中，圆形条带谐振器和U形条带谐振器的费米能级差值每增加0.1eV,窗口频率蓝移10GHz。[0049]在另一些实施例中，本方案通过对圆形条带谐振器和U形条带谐振器施加同一偏压，以调整石墨烯费米能级控制在0.3-0.7eV,实现EIT窗口红移/蓝移。为了探究本方案设计的基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器的机理和性能，本方案使用CSTMicrowaveStudio商业有限元方法软件在1.0-2.1THz频段进行电磁仿真，验证基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器的设计的可行性与性能优化，其中电磁波为-z方向垂直入射的平面波，边界条件在x、y方向设置为单元，z方向设[0051]基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器的结构：U形条带谐振器的参数：外边长1:20μm;开口宽度w:14μm;条带宽度t:3μm;厚为了深入探索EIT效应的产生机制，在x极化方向下利用频域有限差分法对如下不同结构进行了仿真：(i)太赫兹传感器的传感单元仅有U形条带谐振器；(ii)太赫兹传感器的传感单元仅有圆形条带谐振器；(iii)太赫兹传感器的具有U形条带谐振器和圆形条带谐振器的完整的传感单元。[0053]得到不同结构的EIT机制分析图如图2所示，电场分析图如图4所示，从仿真结果可以看到(i)太赫兹传感器的传感单元仅有U形条带谐振器的结构在1.6-2.0THz频段内产生强谐振峰(透射率90%),Q值达150;(ii)太赫兹传感器的传感单元仅有圆形条带谐振器的结构则无显著谐振峰，表明其无法被直接激发，而(iii)太赫兹传感器的具有U形条带谐振器和圆形条带谐振器的完整的传感单元的完整结构在明模与暗模耦合后，在1.78THz处形成透射率为80%的EIT窗口，带宽仅12GHz(Q=44.5),验证其出现了明-暗模耦合机制。[0054]图5是基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器三能级原理示意图，由图5可见，基于量子力学中的λ型三能级模型将U形条带谐振器类比为激发态，圆形条带谐振器类比为亚稳态。当入射太赫兹波激发U形条带谐振器时，其谐振场通过近场耦合间接激发圆形条带谐振器，两路径相位差△φ=π导致相消干涉，形成EIT透明窗口，通过洛伦兹模型模),与仿真结果一致。8通过背栅电压(Vg)调节石墨烯层的费米能级，改变表面电导率并动态调整EIT窗口得到仿真结果如图10所示，整理透明窗口峰值与费米能级关系图如图11所示。[0056]由图10和图11可见，本方案可以调整石墨烯费米能级控制在0.3-0.7eV,实现EIT窗口红移/蓝移，当石墨烯费米能级E_f为0.3eV时，EIT窗口中心频率1.78THz,透射率80%;而当石墨烯费米能级E_f为0.7eV时，窗口红移至2.48THz,调谐带宽700GHz,透射率降至通过对圆形条带谐振器(V1)和U形条带谐振器(V2)施加独立电压，以调控费米能级差值△E_f,得到仿真结果如图12所示，整理透明窗口峰值与费米能级关系图如图13所[0058]由图12和图13可见，通过调节费米能级差值实现了动态开关功能以及频段微调功能，当费米能级差值△E_f为0时，EIT窗口正常开启；而当费米能级差值△E_f为0.3eV时，EIT窗口的透射率降至20%,实现“光学开关”功能，且费米能级差值每增加0.1eV,窗口频率蓝移10GHz。这是由于费米能级差值可以改变谐振器间耦合相位差，破坏干涉条件，导致窗[0059](4)圆形条带谐振器的半径(r)优化：响示意图如图6所示。蓝移50GHz,Q值下降至30;而当圆形条带谐振器的半径r为22μm时，EIT窗口的对称性最好，Q值为44.5;当圆形条带谐振器的半径r大于24μm时，左谷红移60GHz,窗口消失，表明耦合距离过大导致场强衰减。[0061](5)圆形条带谐振器的宽度(q)优化：及5μm进行仿真，得到太赫兹传感器的圆形条带谐振器的宽度q对透射曲线的影响示意图如图7所示。[0062]由图7可见，当圆形条带谐振器的宽度q为4μm时，由图7可见，当圆形条带谐振器称分布于1.75THz和1.83THz。此时，明模(U形)与暗模(圆形)的耦合效率最大化，满足高灵敏度检测需求。[0063](6)U形条带谐振器的开口宽度(w)优化：及14μm进行仿真，得到太赫兹传感器的U形条带谐振器的开口宽度w对透射曲线的影响示意图如图8所示。耦合失效。9[0065](7)太赫兹电磁波的入射角度适应性：调整不同的太赫兹电磁波的入射角度(θ)进行仿真，得到入射角度θ对透射曲线的影响示意图如图9所示。[0066]由图9可见，当入射角为0-25°时，透射率波动<10%,频率偏移<10GHz;而当入射角为75°时，透射率<40%,窗口消失，验证了本方案的传感器在小角度的入射下也可适用。通过改变入射电磁波偏振方向(x/y偏振),分析透射曲线偏移，频率偏移：x偏振下EIT窗口中心频率为1.780THz,y偏振下为1.785THz,偏移量<0.3%,得到偏振敏感性分析曲线图如图3所示。[0068]可见，本方案的基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器具有透射率一致性，具体的，基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器在x/y偏振下窗口透射率分别为80%,差异<1%,证明几何对称性有效消除偏振依赖性。表明其具有偏振不敏感特性，这种特性使得传感器能够在复杂环境中稳定工作，适用于多种应用场景。在传感器的上表面覆盖一层厚度为3um的薄膜作为待测物，用待测物的不同折射率来类比不同浓度，其中折射率分别为1.0、1.1、1.2、1.3以及1.4,得到x偏振下的太赫兹传感器随折射率变化的超材料透射光谱图如图14所示，太赫兹传感器透明窗口峰值相对于折射率的变化图如图15所示，y偏振下的太赫兹传感器随折射率变化的超材料透射光谱图如图16所示，太赫兹传感器透明窗口峰值相对于折射率的变化图如图17所示。[0070]由图14和图15可见，在x偏振下随着待测物折射率的增加，透射窗口产生了240GHz带宽的红移，根据性能计算公式，计算得到在x偏振下器件的灵敏度为596GHz/RIU,Q值为44.5,FOM为35.15。[0071]由图16和图17可见，在y偏振下随着待测物折射率的增加，透射窗口产生了235GHz带宽的红移。根据灵敏度定义公式得到在y偏振下器件的灵敏度为587.5GHz/RIU,Q值为44.3,FOM为34.9。[0072]如上所述，本方案提供的基于U形-圆形紧凑结构的偏振不敏感太赫兹传感器具有高灵敏度：可支持痕量抗生素分子检测，灵敏度较传统金属传感器提升近2倍；具有动态协x/y偏振下的性能一致，适应复杂电磁环境；且整体微型化与集成化设计：60μm的传感单元在恶劣条件下长期稳定工作。[0073]本领域的技术人员应该明白，以上实施例的各技术特征