本發(fā)明屬于光學傳感，涉及一種手性傳感器，具體涉及一種基于連續(xù)體束縛態(tài)bic的全介質超表面的手性傳感器，可用于生物化學分析、醫(yī)療診斷和環(huán)境監(jiān)測等領域。

背景技術：

0、技術背景

1、超表面?zhèn)鞲衅魇怯芍芷谛耘帕械某砻婷舾性?、信號發(fā)生器以及光譜儀轉換元件組成的光電傳感器，用于對待檢測物的物理量進行精確和靈敏的檢測。依據(jù)被檢測對象光學特性及傳感原理的差異，超表面?zhèn)鞲衅骺煞譃槌砻媸中詡鞲衅?、超表面透射傳感器和超表面反射傳感器?/p>

2、超表面手性傳感器是一種基于圓二色性cd原理設計的光電傳感器，利用手性結構對左旋圓極化波和右旋圓極化波的不同響應來區(qū)分手性分子，其基本結構通常由多個亞波長單元排列成特定的圖案以產(chǎn)生強烈的光學手性，實現(xiàn)對手性分子的超靈敏傳感檢測。

3、傳統(tǒng)的超表面手性傳感器依賴于圓二色性cd光譜技術，但存在靈敏度低、響應速度慢或操作復雜等問題。為了克服這些限制，研究人員通過設置非對稱的結構，探索引入了連續(xù)體束縛態(tài)bic來增強手性響應的方法。bic是一種特殊的物理現(xiàn)象，其中特定的模式能夠在連續(xù)譜中存在而不受輻射損失的影響。這種模式的電磁波諧振q值在光譜儀中可以達到其他結構組成的102-103倍，顯示出其在手性傳感領域巨大的應用潛力。結構上更具體的說，是通過同時引入平面內反轉和鏡像不對稱性來構造這種模式實現(xiàn)窄線寬的高品質因子手性傳感。

4、現(xiàn)有的基于bic的全介質超表面手性傳感器，是由周期性排布的多個全介質超表面單元，以及信號發(fā)生器和光譜儀組成；全介質超表面單元包括橫截面為正方形的二氧化硅基底和放置在其上的方形硅塊，這種手性傳感器通過在方形硅塊兩側切去兩個非對稱結構的長方體引入bic提高了檢測精度，利用手性結構實現(xiàn)手性傳感的同時品質因子能達到6×104，傳輸響應在太赫茲和紅外域顯示出接近104riu-1的優(yōu)異值(fom)。但由于其超表面單元的非對稱結構與手性結構未能更融洽的調制在一起，導致其bic的品質因子和手性傳感的優(yōu)異值較低，導致手性傳感器的高光譜分辨率仍然較低。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術存在的問題，提出了一種基于bic的全介質超表面手性傳感器，用于解決現(xiàn)有技術中存在的因bic的品質因子和手性傳感的優(yōu)異值較低導致的檢測精度較低的技術問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明包括周期性排布的多個全介質超表面單元，以及信號發(fā)生器和光譜儀；所述全介質超表面單元包括納米基底1和固定在其上表面的納米塊2；所述納米塊2采用橫截面為正方形的四方體結構，其上設置有貫穿上下表面且關于所述納米塊2中心軸線非對稱的第一納米圓柱腔3和第二納米圓柱腔4，用于實現(xiàn)連續(xù)體束縛態(tài)bic特性，其中所述第一納米圓柱腔3的中心軸線位于納米塊2的一條對角平面上，所述第二納米圓柱腔4的中心軸線位于偏移所述對角平面的位置，偏移量δl和偏移方向是通過圓二色性cd的最大幅值確定的。

3、上述的全介質超表面手性傳感器，所述納米基底1，采用表面形狀為正方形的二氧化硅板材。

4、上述的全介質超表面手性傳感器，所述納米塊2，采用硅、氮化硅或砷化鎵的半導體材質。

5、上述的全介質超表面手性傳感器，所述納米塊2，其中心法線與納米基底1的中心法線重合。

6、上述的全介質超表面手性傳感器，所述第二納米圓柱腔4，其中心軸線與第一納米圓柱腔3的中心軸線平行。

7、上述的全介質超表面手性傳感器，所述第一納米圓柱腔3和第二納米圓柱腔4，其中心軸線與納米基底1的中心法線平行。

8、上述的全介質超表面手性傳感器，所述圓二色性的最大幅值，是指使用信號發(fā)生器發(fā)射的左旋圓極化波和右旋圓極化波自上而下對全介質超表面進行垂直照射，光譜儀通過接收左旋圓極化波透射的部分左旋圓極化波及其轉換的右旋圓極化波，以及右旋圓極化波透射的部分右旋圓極化波及其轉換的左旋圓極化波的透射率所計算的圓二色性的最大值，其中cd的計算公式為：

9、

10、其中，tl、tr分別表示透射的左旋圓極化波、右旋圓極化波的總透射率。

11、上述的全介質超表面手性傳感器，所述續(xù)體束縛態(tài)bic，其品質因子q是通過第一納米圓柱腔3和第二納米圓柱腔4的橫截面面積對不對稱度α進行調控，并通過α所計算的，其中α和q的計算公式分別為：

12、

13、其中，δs為第一納米圓柱腔和第二納米圓柱腔的橫截面面積之和，s為納米塊的橫截面積，ω為復頻率，r為第一納米圓柱腔和第二納米圓柱腔的半徑，l為納米塊橫截面的邊長，re(·)、im(·)分別為取實部、虛部操作。

14、上述的全介質超表面手性傳感器，在對待檢測物的物理變化量進行檢測時，首先將待檢測物覆蓋在超表面的上表面，通過信號發(fā)生器發(fā)射的左旋圓極化波和右旋圓極化波自上而下對待檢測物進行垂直照射，并通過光譜儀對超表面結構透射的波長變化值δλ和手性傳感器的cd曲線進行對比分析獲取到待檢測物的物理變化量。

15、本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下優(yōu)點：

16、1.本發(fā)明中的全介質超表面單元采用通過在四方體納米塊上設置貫穿其上下表面且關于納米塊中心軸線非對稱的納米圓柱腔結構，能夠實現(xiàn)連續(xù)體束縛態(tài)bic特性，并通過納米圓柱腔的橫截面圓的半徑對不對稱度進行調控，從而實現(xiàn)高達2.14×105的品質因子，使得超表面單元具有卓越的光學諧振特性和極窄的共振線寬，從而顯著提高了傳感器的分辨率。

17、2.本發(fā)明通過圓二色性cd的最大幅值確定第二納米圓柱腔的中心軸線相對于第一納米圓柱腔的中心軸線所在的納米塊的一條對角平面的偏移量和偏移方向，精準實現(xiàn)了cd最大幅值的高效響應，實驗結果表明本發(fā)明中手性響應的靈敏度優(yōu)異值達到7.51×104riu-1，極大地增強了傳感器的高光譜分辨率和檢測能力。

技術特征：

1.一種基于bic的全介質超表面手性傳感器，包括由周期性排布的多個全介質超表面單元組成的超表面結構，以及信號發(fā)生器和光譜儀；所述全介質超表面單元包括納米基底(1)和固定在其上表面的納米塊(2)；其特征在于，所述納米塊(2)采用橫截面為正方形的四方體結構，其上設置有貫穿上下表面且關于所述納米塊(2)中心軸線非對稱的第一納米圓柱腔(3)和第二納米圓柱腔(4)，用于實現(xiàn)連續(xù)體束縛態(tài)bic特性，其中所述第一納米圓柱腔(3)的中心軸線位于納米塊(2)的一條對角平面上，所述第二納米圓柱腔(4)的中心軸線位于偏移所述對角平面的位置，偏移量δl和偏移方向是通過圓二色性cd的最大幅值確定的。

2.根據(jù)權利要求1所述的全介質超表面手性傳感器，其特征在于，所述納米基底(1)，采用表面形狀為正方形的二氧化硅板材。

3.根據(jù)權利要求2所述的全介質超表面手性傳感器，其特征在于，所述納米塊(2)，采用硅、氮化硅或砷化鎵的半導體材質。

4.根據(jù)權利要求3所述的全介質超表面手性傳感器，其特征在于，所述納米塊(2)，其中心法線與納米基底(1)的中心法線重合。

5.根據(jù)權利要求1所述的全介質超表面手性傳感器，其特征在于，所述第二納米圓柱腔(4)，其中心軸線與第一納米圓柱腔(3)的中心軸線平行。

6.根據(jù)權利要求5所述的全介質超表面手性傳感器，其特征在于，所述第一納米圓柱腔(3)和第二納米圓柱腔(4)，其中心軸線與納米基底(1)的中心法線平行。

7.根據(jù)權利要求1所述的全介質超表面手性傳感器，其特征在于，所述圓二色性cd的最大幅值，是指使用信號發(fā)生器發(fā)射的左旋圓極化波和右旋圓極化波自上而下對全介質超表面進行垂直照射，光譜儀通過接收左旋圓極化波透射的部分左旋圓極化波及其轉換的右旋圓極化波，以及右旋圓極化波透射的部分右旋圓極化波及其轉換的左旋圓極化波的透射率所計算的圓二色性cd的最大值，其中cd的計算公式為：

8.根據(jù)權利要求1所述的全介質超表面手性傳感器，其特征在于，所述續(xù)體束縛態(tài)bic，其品質因子q是通過第一納米圓柱腔(3)和第二納米圓柱腔(4)的橫截面面積對不對稱度α進行調控，并通過α所計算的，其中α和q的計算公式分別為：

9.一種根據(jù)權利要求1-8任一項所述的全介質超表面手性傳感器，其特征在于，在對待檢測物的物理變化量進行檢測時，首先將待檢測物覆蓋在超表面的上表面，通過信號發(fā)生器發(fā)射的左旋圓極化波和右旋圓極化波自上而下對待檢測物進行垂直照射，并通過光譜儀對超表面結構透射的波長變化值δλ和手性傳感器的cd曲線進行對比分析獲取到待檢測物的物理變化量。

技術總結
本發(fā)明提出了一種基于BIC的全介質超表面手性傳感器，包括周期性排布的多個全介質超表面單元，以及信號發(fā)生器和光譜儀；全介質超表面單元包括納米基底和固定在其上表面的納米塊；納米塊上設置有非對稱的兩個納米圓柱腔，其中一個納米圓柱腔的中心軸線位于納米塊的一條對角平面上，另一個納米圓柱腔的中心軸線位于偏移對角平面的位置，偏移量Δl和偏移方向是通過圓二色性CD的最大幅值確定。本發(fā)明通過納米圓柱腔的橫截面圓的半徑對不對稱度進行調控，從而實現(xiàn)較高的品質因子和CD最大幅值的高效響應，使得超表面單元具有卓越的光學諧振特性和極窄的共振線寬，顯著提高了傳感器的分辨率和檢測能力。

技術研發(fā)人員：楊銳,李梓安,郝雅正
受保護的技術使用者：西安電子科技大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/5/8