一种基于光学塔姆态光子自旋霍尔效应的超敏太赫兹液体传感器

1.本发明属于光学传感领域，具体为一种基于光学塔姆态光子自旋霍尔效应的太赫兹液体传感器，可应用于对液体类型和浓度的各种检测。


背景技术：

2.光学传感响应时间相对较短，这使得在线实时检测待测物各项参数成为可能。且其传感性能不会因环境变化或特定待测物引起的催化剂中毒等而降低，被认为是一种具有很好发展前景的传感技术。其应用最成功的例子就是表面等离子体共振(spr)技术，该技术建立在金或银等贵金属表面所激发的表面等离子波之上。尽管这种spr传感器对比非光学检测传感器更有优势，但是其传感灵敏度还是不如后者。为了提高spr传感器灵敏度，科研工作者提出了基于新型结构或效应的传感器增强传感灵敏度，比如利用双层金属激发了长程表面等离子体共振(lrspr)效应；利用二维材料如石墨烯增加光吸收以及被检测物的吸附；利用光学塔姆态进一步减小反射系数提高灵敏度。上述传感器都是基于反射曲线谷峰位置反映其传感特性的。检测液体待测物时，不同类型的液体，或者液体的不同浓度，其折射率的差值非常小，这为各类传感器在液体检测方面带来了挑战。所以高灵敏度、高选择性地检测目标液体就成为急需解决的问题。
3.当一束线偏振光经过由不同折射率构成的具有折射率梯度的材料界面时，自旋方向相反的光子会在垂直于入射面的方向发生横向偏移，从而分裂成左旋圆偏振光与右旋圆偏振光，这种现象就是光子自旋霍尔效应(pshe)。pshe与折射率梯度密切关联，因此该效应被认为是一种潜在的精密测量工具。比如，pshe已被用于测量纳米金属膜的厚度、石墨烯的层数、实时检测化学反应的反应速率等。最近，pshe也被用于折射率传感器的设计中。例如，项元江等研究者发现基于pshe的传感器灵敏度优于传统的spr传感器，为传统spr传感器的2-3倍。研究者们还发现：结合弱测量技术，基于pshe的折射率传感器的灵敏度可大幅提升，且信噪比大大增强。综上所述，基于pshe的传感器具有高灵敏度和高信噪比等优势，探索其在液体检测领域的应用研究是非常必要且具有现实意义的。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于光学塔姆态光子自旋霍尔效应的超敏太赫兹液体传感器，根据反射光的自旋偏移值对待测液体进行检测，并且环境温度对于该液体传感器的影响小，稳定性高。
5.为解决上述问题，本发明提供如下技术方案：
6.一种基于光学塔姆态光子自旋霍尔效应的超敏太赫兹液体传感器，结构由待测液体层、insb层、enz板层、布拉格反射结构层构成，所述的布拉格反射结构层由介质a与介质b周期性交替排列构成，所述介质a为聚-4甲基戊烯-1，所述介质b为sio2。所述介质a、b层的单层厚度由布拉格条件d
a、b
＝λ/4n
a、b
给出，其中λ为入射线偏振光的波长，n
a、b
为介质a、b的
折射率。
7.优选的，insb的介电常数可由drude模型进行表述：ε
∞
是高频介电常数，是等离子体频率，散射频率μ为载流子迁移率，μ＝77000(t/300)-1.66
cm2·
v-1
·
s-1
。m
*
为载流子有效质量，m
*
＝0.015m0，m0＝9.1
×
10-31
kg是电子质量。载流子浓度n与温度t的关系为：kg是电子质量。载流子浓度n与温度t的关系为：
8.优选的，固定入射光工作角度θ，所述液体传感器的强度灵敏度定义为其中，δn为不同待测液体的折射率变化差值，δδ为反射光自旋霍尔效应的偏移值改变量。通过计算本发明液体传感器的强度灵敏度，即可对该传感器的传感性能进行评估。
9.一种液体检测的方法，采用上述基于光学塔姆态光子自旋霍尔效应的液体传感器可区分液体的类型和浓度，具体为：入射线偏振光(太赫兹波段)直接照射待测液体层，并在insb层界面发生反射，反射光束在入射线偏振光和法线构成的入射面垂直方向上分裂为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。待测液体的类型或浓度不同，其折射率不同，相应的自旋霍尔效应的偏移量数值也不同。通过测量左、右旋圆偏振光的分裂偏移量，即可对待测液体的类型和浓度进行分析，且该传感器的稳定性较高，室温环境下对环境温度因素等依赖性不高，可适应于不同温度条件下的检测。
10.本发明的优点在于：
11.本发明提出的基于光学塔姆态光子自旋霍尔效应的超敏液体传感器结构简单，由于基于光学原理检测，具有实时检查和高稳定性的特点；检测特定液体时，工作角度范围小，针对待测液体的选择性高；检测后不会对器件材料造成损害。对比于已经报道的基于表面等离子体共振效应的传感器，本发明所提出的基于光学塔姆态光子自旋霍尔效应的液体传感器，灵敏度要更高，展现了优异的传感性能。
附图说明
12.图1是本发明实施例的液体传感器结构示意图。
13.图2是本发明实施例中nacl溶液不同浓度时，光子自旋霍尔效应的自旋偏移量值与工作角度的关系图。
14.图3是摩尔浓度0.154mol/l的nacl溶液(生理盐水)在不同温度下的自旋偏移量值。
具体实施方式
15.下面通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式做进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
16.实施例1：本发明的一种基于光学塔姆态光子自旋霍尔效应的超敏太赫兹液体传感器，如图1所示，包括待测液体
①
、锑化铟(insb)材料层
②
、近零折射率(epsilon-near-zero，enz)材料层
③
、布拉格反射周期结构层(材料a
④
和材料b
⑤
交替排列)、以及入射工作
光源(工作频率为1.11thz)。入射光以一定工作角度透过待测液体照射至insb层，待测液体、insb材料、近零折射率材料和布拉格反射周期结构电场耦合激发光学塔姆态，从而对光子自旋霍尔效应进行增强。在其他参数都固定的情况下，充入不同的待测液体，反射光自旋霍尔效应的偏移量值就会发生不同的变化，进而可对待测液体的类型和浓度进行分析。本发明在环境温度变化下自旋偏移值基本不会发生太大变化，稳定性高；且对待测液体的类型和浓度进行检测时，具有优异的传感性能。
17.本实施例中，insb的介电常数可由drude模型进行表述：ε
∞
是高频介电常数，是等离子体频率，散射频率μ为载流子迁移率，μ＝77000(t/300)-1.66
cm2·
v-1
·
s-1
。m
*
为载流子有效质量，m
*
＝0.015m0，m0＝9.1
×
10-31
kg是电子质量。载流子浓度n与温度t的关系为：kg是电子质量。载流子浓度n与温度t的关系为：
18.考虑入射线偏振光束为高斯形式且具有有限的角谱宽度，可表示为考虑入射线偏振光束为高斯形式且具有有限的角谱宽度，可表示为w0为入射光束的束腰宽度。该入射线偏振光可看成同频率的左、右旋圆偏振光的叠加，即水平(简记为h)和垂直(简记为v)偏振光可表示为圆偏振光的叠加，即水平(简记为h)和垂直(简记为v)偏振光可表示为和符号“ ”和
“‑”
分别表示左、右旋圆偏振分量。反射光角谱和入射光角谱的关系为：其中，θi为入射角，r
p
和rs分别为p(s)偏振光的菲涅尔反射系数。待测液体充入该液体传感器的待测液体层后，体系的菲涅尔反射系数r
p
和rs可依托转移矩阵法求得。考虑反射系数的泰勒级数一阶近似，反射光自旋霍尔效应的自旋偏移量可表示为
19.和
20.待测液体层为不同类型或浓度的液体时(折射率变化量为δn)，该液体传感器结构的菲涅尔反射系数不同，不同待测液体所对应的自旋偏移量数值也不同。因为光子自旋霍尔效应对折射率的微小差异非常敏感，其反射光的自旋霍尔效应将差别较大，相应的自旋偏移改变量记为δδ。基于光子自旋霍尔效应的折射率传感器，固定入射光线工作角度时，其强度灵敏度定义为这为液体类型和液体浓度的检测提供了一种有效的途径。
21.实施例2：采用实施例1所述的基于光学塔姆态光子自旋霍尔效应的超敏液体传感器对液体的类型或浓度进行分辨，这里以nacl液体为例：
22.当线偏振光以一定的入射角度透过nacl液体照射到该传感器的insb材料层上时，由于光子自旋霍尔效应，反射光束将分裂为左旋偏振光和右旋圆偏振光，这两束光在垂直于入射面的方向上的自旋偏移大小相等方向相反。对于不同类型液体，不同浓度下，其折射
率不同，自旋偏移量也会不同，因此，通过测量该液体传感器中光子自旋霍尔效应偏移量的大小，即可简单方便地鉴别待测液体的类型和浓度。这种基于光子自旋霍尔效应的液体传感器对待测液体间的微小折射率差异非常敏感，具有较高的强度灵敏度和优异的传感性能。
23.所述的液体传感器的insb材料厚度为10纳米；enz材料折射率为0.1，厚度为400微米；布拉格反射周期结构(周期数n为20)的材料a为聚-4甲基戊烯-1(tpx)，折射率为1.9，材料b为二氧化硅，折射率为2.25；入射线偏振光的频率为1.11thz。所述材料a、b层的厚度由布拉格条件d
a、b
＝λ/4n
a、b
给出，其中λ为入射线偏振光的波长，n
a、b
为介质a、b的折射率。在本实施例中材料a的单层厚度为35微米，材料b的单层厚度为30微米。
24.对于待测的nacl液体，浓度越高折射率数值越大。纯净蒸馏水不含nacl时的初始折射率为1.3331，每升溶液添加1gnacl，溶液折射率变化0.00185，溶液摩尔浓度变化0.017mol/l。
25.如图2所示，本发明的液体传感器在摩尔浓度为0mol/l到0.068mol/l之间变化时，nacl液体的光子自旋霍尔效应偏移量值曲线图，温度为27℃(300k)。由此可知，随着nacl浓度的增加，溶液折射率变大，自旋位移最大值所对应的工作角度变小，但自旋位移值则基本没有变化。nacl溶液的折射率每变化0.00185(即浓度改变0.017mol/l时)，传感器的自旋位移谱线均发生了明显的改变，展现了传感器极低的溶液探测浓度和高度的浓度敏感性。固定工作角度为7.75
°
，鉴别nacl溶液的不同浓度时，本专利所提出的基于自旋霍尔效应液体传感器的强度灵敏度为633.78mm/riu。
26.如图3所示为nacl溶液(摩尔浓度为0.154mol/l)，不同温度下的自旋偏移量值。在温度为0℃-40℃之间，自旋偏移值呈现出略微增大的趋势。在10℃以下，自旋位移值基本保持稳定不再变化，从10℃到25℃之间，强度灵敏度最大误差为2.34％。从25℃到30℃之间，强度灵敏度最大误差为2.34％。而温度变化至40℃的极端温度下，强度灵敏度误差则达到11％。可以看出在我们的传感器在0℃-30℃的工作环境中的最大误差为2.34％，显示出了良好的稳定性。依照基于光子自旋霍尔效应传感器的强度传感方案，该传感器在检测nacl液体浓度时，太赫兹波段的入射线偏振光以7.66
°
的角度入射，其室温环境强度灵敏度可达633.78mm/riu。和基于表面等离子共振或共振光隧穿效应的传感器相比，该传感器的强度灵敏度数值提升了两个数量级。综上所述，本发明的基于光学塔姆态光子自旋霍尔效应的液体传感器，在检测nacl液体微小浓度改变时展现了其超敏特性，其强度灵敏度明显优于基于表面等离子体共振效应或共振光隧穿效应传感器的灵敏度数值；且该传感器对环境温度等依赖性不高，具有较好的器件稳定性。
27.由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。