[發明專利]一種基于亞波長雙曲材料的高靈敏度Goos-H?nchen位移氣體傳感器及制備方法

在審

• 申請號: 202210944003.5
• 申請日: 2022-08-05
• 公開（公告）號: CN115575352A
• 公開（公告）日: 2023-01-06
• 發明（設計）人: 魏曼麗;吳迪;劉思彤;李潤華;馬季
• 申請（專利權）人: 遼寧石油化工大學
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41
• 代理公司: 遼寧沈陽國興知識產權代理有限公司 21100
• 代理人: 姜婷婷

本發明公開了一種基于亞波長雙曲材料的高靈敏度Goos?位移氣體傳感器及制備方法。本發明是以銀和二氧化鈦組成的雙曲超材料為基礎，獲得了在雙曲超材料表面Goos?位移的強度和方向特性，除了增強G?H位移的強度外，還通過調整入射波長直接改變其方向，同時，根據臨界波長特性，隨著填充因子和背景介電常數的增加(減少)臨界波長藍移(紅移)。結合Goos?位移的強度和方向特性，在入射區背景介質處充入氦氣，設計出靈敏度高達1.59×10⁹nm/RIU的氣體傳感器，便于空氣質量的檢測。

技術領域

本發明屬于光學科學技術領域，具體涉及一種基于亞波長雙曲材料的高靈敏度古斯-漢欣位移位移氣體傳感器及制備方法。

背景技術

光學傳感器在臨床診斷、環境監測、生物醫學等諸多領域有著廣泛的應用前景。其具有抗電磁干擾、多通道檢測、遙感等優點，且靈敏度高、無標簽、實時監測等優點受到廣泛研究。普通的光學氣體傳感器的靈敏度較低，無法精確的實時診斷和監測。古斯-漢欣位移自從被發現以來一直是研究的熱點。人們一直致力于研究怎樣可以獲得較大的位移，隨著各種材料被發現，位移的特性也相繼被發現。有人研究發現光子晶體禁帶中也存在位移，并給出了理論解釋，以及在二維光子晶體中發現了負的位移。隨著超材料被發現，位移在超材料表面的特性被廣泛研究。為了獲得較大的位移，滿足光學氣體傳感器靈敏度高的需求，由此，針對位移的特性我們提出了一種基于亞波長雙曲超材料的高靈敏度位移氣體傳感器的制備方法。

發明內容

針對普通光學氣體傳感器現有技術存在的不足，本發明的首要目的在于提供一種基于亞波長雙曲材料的高靈敏度位移氣體傳感器。

本發明的另一目的在于提供一種基于亞波長雙曲材料的高靈敏度位移氣體傳感器的制備方法。

為了實現上述發明目的，本發明采用以下技術方案：

一種基于亞波長雙曲超材料的高靈敏度位移氣體傳感器，雙曲超材料采用金屬銀和電介質二氧化鈦交替層組成，入射區背景介質為氦氣，出射區背景介質為空氣。

上述技術方案中，所述的雙曲超材料中金屬銀的厚度為d_Ag＝42nm。

上述技術方案中，所述的雙曲超材料中電介質二氧化鈦的厚度為

上述技術方案中，所述的入射區背景介質氦氣的折射率為n_He＝1.000032。

上述技術方案中，所述的出射區背景介質空氣的折射率為n_air＝1.000265。

一種基于亞波長雙曲超材料的高靈敏度位移氣體傳感器的制備方法，包括如下步驟：

步驟一：基于TM波設計氣體傳感器；

步驟二：探究位移在入射角、入射波長、背景介電常數以及填充因子的增強特性；

步驟三：基于步驟二得到的位移的特性，選取可以得到最大位移的入射角θ＝69.25deg，入射波長為λ＝342nm以及填充因子為 f＝0.28的條件；

步驟四：基于步驟三的條件入射，并在入射區充入氦氣可以得到靈敏度為 S＝1.59×10⁹nm/RIU的氣體傳感器。

本發明的原理：根據Drude模型可計算出金屬銀和電介質的介電常數；基于有效介電常數，可以計算出雙曲超材料的垂直和平行方向介電常數表達方式；根據菲涅耳公式，可以得到橫向電磁波的反射系數表達式；基于以上理論和穩態相位法，可以得到位移的表達式，為制備亞波長雙曲超材料的高靈敏度位移氣體傳感器提供了理論基礎。

本發明的優點效果：

1、本發明采用由金屬和電介質交替組合而成的雙曲超材料結構，不僅提高了光學氣體傳感器靈敏度，而且具有相對容易加工、寬帶非共振、三維塊體響應以及靈活的波長可調諧等優點。