ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ СЕНСОР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ПРИМЕСЕЙ В ГАЗО-ВОЗДУШНЫХ СРЕДАХ Российский патент 2022 года по МПК G01N21/41 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к оптическим сенсорам, которые могут быть использованы в различных отраслях промышленности в системах детектирования содержания примесей газов в газо-воздушных средах, а также для оценки качества воздуха. Оптический сенсор может быть выполнен на интегральном чипе и встроен в электронные устройства, предназначенные для установки в рабочих и домашних помещениях. Наличие примесей в газовоздушных средах детектируется сигналом второй оптической гармоники от асимметричной полупроводниковой метаповерхности в ближнем инфракрасном диапазоне.

Уровень техники

Загрязнение воздуха является важной проблемой современного мира, наиболее ощутимой для жителей мегаполисов. Поскольку состояние окружающей среды стремительно ухудшается в последнее десятилетие, рынок датчиков (или сенсоров) качества воздуха развивается, вовлекая в себя крупные корпорации. Используются передовые научные технологии, стремящиеся улучшить основные характеристики устройств: компактность, скорость отклика, стабильность и срок эксплуатации. Актуальным является решение задачи по интеграции датчика воздуха с мобильными устройствами, ставшими неотъемлемой частью нашей повседневной жизни, без потери качества измерения при обеспечении простоты его изготовления.

Наиболее известными готовыми решениями в данной области являются портативные сенсоры фирмы Bosch Sensortec, Sensirion, а также метеостанции фирм IQAir, Xiaomi и других. Размер рабочей области рассматриваемых устройств - несколько квадратных миллиметров, время срабатывания - порядка 1 с, а стоимость больше 150$. Данные сенсоры не предоставляют возможности для масштабируемости и КМОП-совместимости, однако допускают дистанционное управление и передачу данных через интернет-сеть.

Известны термохимические (например, компания NEMOTO), электрохимические (например, компания MEMBRATOR), полупроводниковые (например, компания Winsen) сенсоры. Технологическими аналогами заявляемого сенсора являются оптические датчики, например, двухканальный не дисперсионный газовый анализатор (патент US 5055688). Недостатком данного оптического датчика является большой размер устройства, что препятствует его встраиванию в более сложные малогабаритные системы. Существуют сенсоры на основе локализованных (патент US 9638633) и поверхностных (патент US 8786859) плазмонов. Основным недостатком плазмонных сенсоров является использование металлов, что приводит к серьезным омическим потерям и низкой температурной устойчивости сенсора.

Из уровня техники известен сенсор на основе кремниевого волновода [Densmore, A., Xu, D. X., Waldron, P., Janz, S., Cheben, P., Lapointe, J., Delage, A., Lamontagne, В., Schmid, J. H., & Post, E. (2006). A silicon-on-insulator photonic wire based evanescent field sensor. IEEE Photonics Technology Letters, 18(23), p.2520-2522], реализованный в геометрии интерферометра Маха-Цендера и включающий заводящий и выводящий волноводы длиной по 40 мкм каждый и высотой 260 нм, а также сам сенсор, в котором прямоугольный волновод с той же высотой 260 нм и шириной 450 нм находится в окне для детектирования шириной 50 мкм и длиной 1.5 см. Область с заводящими и выводящими волноводами сверху дополнительно покрыта 2 мкм фоторезиста SU-8. Принцип действия данного сенсора основан на следующем эффекте: эванесцентное (затухающее при удалении от границы раздела сред) поле распространяющейся по волноводу ТМ-поляризованной моды выходит за пределы волновода в окружающую среду, изменение показателя преломления которой за счет наличия примесей влияет на условия распространения такой моды по волноводу и, соответственно, на оптический отклик волноводной системы. К преимуществам данного решения относится простота изготовления сенсора, КМОП-совместимость, а также возможность использования в схеме с интерферометром и высокая чувствительность. Чувствительность сенсора составляет примерно Δ_n=0.0018. Однако для того чтобы интегрировать сенсор в такие устройства электроники, как, например, «умные часы», он должен иметь характерные размеры (длину участка детектирования) не более 100 мкм, что не обеспечивается данной конструкцией сенсора. Таким образом, недостатками данного сенсора являются сравнительно протяженная длина сенсора и чувствительность, не позволяющая регистрировать малые концентрации примесей газов.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является оптический газовый сенсор (патент RU 2751449), включающий элементы ввода и вывода излучения, размещенные на подложке из оптически прозрачного диэлектрического материала с коэффициентом преломления n1, и цепочку активных полупроводниковых элементов - Ми-резонансных субволновых наночастиц, выполненных также из оптически прозрачного диэлектрического материала с коэффициентом преломления n2, где n2>n1 и расположенных на субволновом расстоянии друг от друга. Элементы ввода и вывода излучения выполнены в виде волноводов с прямоугольным сечением, имеющим субволновые поперечные размеры. Чувствительность сенсора достигается за счет взаимодействия распространяющейся волноводной моды с окружающей средой не только на поверхности устройства, но и в зазорах между наночастицами. К основным преимуществам устройства можно отнести КМОП-совместимость, компактность и доступность массового изготовления, которыми также обладает и заявляемое устройство. Однако волноводные системы достаточно сложно эффективно возбуждать. Неточность геометрии и небольшой сдвиг длины волны накачки ухудшает пропускание волны, и, как следствие, сокращает активную область, что снижает параметры чувствительности сенсора. Кроме того, в известном устройстве используется линейный отклик симметричной системы, что снижает точность измерения показателя преломления по сравнению с нелинейным откликом, реализуемым в заявляемом сенсоре. Важно также отметить наличие паразитного рассеяния на границах наночастиц, составляющих волновод, что усложняет выделение полезного сигнала.

Технической проблемой, которую решает предлагаемое изобретение, является разработка КМОП-совместимого, нанометрового, простого в изготовлении, устойчивого к изменению температуры сенсора качества воздуха на основе асимметричной полупроводниковой метаповерхности, обладающей высокодобротным нелинейным откликом, чувствительным к изменению показателя преломления среды Δ_n<0.001.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом данного изобретения является создание высокочувствительного встраиваемого в интегральные микросхемы сенсора на основе кремниевой метаповерхности с высокодобротным Фано-резонансом в ближней инфракрасной спектральной области, характеризующегося возможностью детектировать изменение показателя преломления окружающей воздушной среды величиной не менее 10^-3 за счет спектрального смещения максимума сигнала второй оптической гармоники. Высокая чувствительность сенсора достигается за счет использования сигнала второй оптической гармоники, вместо линейного отклика. Вторая оптическая гармоника пропорциональна квадрату локального поля системы, которое, в свою очередь, определяется показателем преломления среды, в которой находятся наночастицы метаповерхности. Высокое разрешение сенсора, по сравнению с известными аналогами, обеспечивается использованием асимметричной метаповерхности, оптический отклик которой имеет высокодобротный резонанс шириной несколько нанометров.

Технический результат достигается оптическим сенсором для определения наличия примесей в газо-воздушных средах, включающим подложку из оптически прозрачного диэлектрического материала с коэффициентом преломления n1, и расположенную на ней чувствительную поверхность, образованную наночастицами из оптически прозрачного диэлектрического материала с коэффициентом преломления n2, имеющими субволновые размеры и расположенными на субволновом расстоянии друг от друга, где n2>n1. При этом, согласно изобретению, наночастицы представляют собой элементарные ячейки, имеющие асимметричную форму, характеризующуюся отсутствием вращательной симметрии, которые расположены на подложке с образованием полупроводниковой упорядоченной метаповерхности в виде двумерной периодической решетки, например, с периодом расположения частиц от 100 нм до 10 мкм, с обеспечением коллективных резонансов при воздействии на них фемтосекундных импульсов, например, с длиной волны 0.4-10 мкм при нормальном падении.

Асимметричная форма наночастиц может быть образована добавлением к элементу симметричной формы по меньшей мере одного элемента асимметричной формы. Площадь участка фигуры, образованной элементом симметричной формы в поперечной плоскости, параллельной поверхности подложки, предпочтительно составляет не менее 5% от общей площади данной фигуры. Элементарная ячейка может состоять из двух и более дисков, сфер, параллелепипедов, эллипсоидов различных размеров.

Высота наночастиц может быть меньше характерного линейного размера метаповерхности по меньшей мере в 100 раз. Наночастицы друг от друга находятся на расстоянии меньше длины волны, которое сравнимо с их сечением по всей метаповерхности.

В одном из вариантов реализации изобретения между подложкой и наночастицами расположен по меньшей мере один промежуточный слой из материала, отличающегося от материалов подложки и наночастиц, при этом подложка выполнена из материала с показателем преломления n1<1.6, наночастицы - из материала с показателем преломления n2>2.5, промежуточный слой - из материала с показателем преломления n3, 1.6<n3<2.

Разработанный датчик способен определять наличие вредных примесей в воздухе и классифицировать их по уровню опасности для потребителя. Материал активной зоны сенсора выполнен из оптически прозрачного термоустойчивого материала. Изобретение отличается тем, что активная зона состоит из массива одинаковых по форме и размерам асимметричных Ми-резонансных наночастиц, при этом расстояние между соседними частицами меньше длины волны возбуждающего излучения (1 мкм). Субволновыми также будут высота и поперечное сечение наночастиц.

Рабочая область устройства реализована из полупроводниковой асимметричной метаповерхности, состоящей из наноразмерных частиц. Особенностью чувствительной области устройства является возможность возбуждения в ней узкого резонанса типа Фано, чувствительного к окружающей среде даже в линейном отклике. Нелинейный отклик зависит от второй степени электромагнитного поля, что повышает разрешение всей системы. Важно отметить, что использование полупроводников упрощает изготовление устройства, уменьшает изнашиваемость устройства за счет практически полного отсутствия омических потерь в ближней инфракрасной спектральной области, а также упрощает совместимость с существующими оптическими чипами. Использование нелинейного отклика асимметричной системы позволяет улучшить разрешение благодаря узкому пику, сдвиг которого легче детектировать. Метаповерхность, состоящая из наночастиц (мета-атомов), позволяет в разы уменьшить интенсивность накачки, не теряя эффективности частотного преобразования.

Метаповерхность расположена на подложке, изготовленной из материала с более низким показателем преломления, чем чувствительная область устройства. Наиболее предпочтительным является использование подложки из плавленого кварца и наночастиц из полупроводников Si, Ge, GaAs. Для упрощения технологии изготовления сенсора возможно использование промежуточного слоя, например из AlGaOx, где 1<х<3. Метаповерхность образована наночастицами, имеющими ассиметричную форму - в виде наноблоков, например, трех соединенных параллелепипедов или дисков с вырезом, сдвинутым от центра. В качестве средства накачки могут быть использованы вертикально излучающие лазеры. Детектирование сигнала может быть реализовано доступными средствами и методами, например, полупроводниковым фотодиодом из кремния, либо германия.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлены три примера выполнения метаповерхностей с различными формами наночастиц и сводный график полученных численно спектров мощности второй гармоники (ВГ) Р_ВГ, нормированных на мощность накачки Р_{накачки} метаповерхностей всех трех рассмотренных моделей в окрестности высокодобротного Фано-резонанса. На графике Р_ВГ - мощность второй оптической гармоники, Р_{накачки} - мощность возбуждающего света, Н и h - высота Ми-резонансных наночастиц, составляющих элементарную ячейку метаповерхности, Р-период следования полупроводниковых частиц в массиве, W - поперечный размер наночастицы, S1 и S2 (для метаповерхности по примеру 1) или Δr₀ (для метаповерхности по примеру 3) - параметры, характеризующие уровень асимметричности частиц, r1 и r2 - радиус диска по оси без выреза и с вырезом, соответственно. Наибольшую эффективность (отношение мощности второй гармоники к мощности накачки), превосходящую 50%, показывает метаповерхность №1, наночастицы которой представляют собой прямоугольный параллелепипед высотой Н, равными шириной и длиной W, с двумя симметричными сквозными боковыми прямоугольными вырезами длиной S1 и шириной S2 вдоль одной стороны основания параллелепипеда. Метаповерхность №2, состоящая из трехслойных Г-образных наночастиц, демонстрирует эффективность на уровне 20%. Эффективность метаповерхности №3 составляет 15%. В качестве наночастицы в метаповерхности №3 используются диски высотой h и радиусом r1 со сквозным отверстием в виде диска радиусом r2, при этом центр отверстия отстоит от центра диска на расстояние Δr₀. Во всех представленных вариантах метаповерхности №1, 2, 3 наночастицы образуют метаповерхность в виде квадратной решетки с периодом Р:

Пример метаповерхности №1: период элементарной ячейки равен 0.67 мкм. Модель базируется на правильных параллелепипедах со стороной основания равной 280 нм, которые имеют одинаковые вырезы у двух своих углов, примыкающих к одной и той же грани. Используемые мета-атомы состоят из 2 слоев. Непосредственно на подложке находится промежуточный слой из AlGaOx, где x от 0 до 3, толщиной 300 нм, а на нем расположен чувствительный слой, образованный наночастицами из GaAs толщиной 300 нм.

Пример метаповерхности №2: период элементарной ячейки - 0.47 мкм. Модель базируется на правильных параллелепипедах со стороной основания, равной 296 нм, которые имеют одинаковый вырез у одного из своих углов. Используемые мета-атомы состоят из 3 слоев. Непосредственно на подложке находится промежуточный слой из AlGaOx, где x от 0 до 3, толщиной 300 нм, на котором расположен чувствительный слой из GaAs толщиной 300 нм, на котором, в свою очередь, расположен технологический слой из стекла SiO2 толщиной 60 нм.

Пример метаповерхности №3: период элементарной ячейки - 0.67 мкм. Модель базируется на цилиндрах диаметром 335 нм с вырезами в виде фрагментов цилиндра диаметром 146 нм, смещенных относительно центра цилиндра на 141 нм. Используемые мета-атомы состоят из 2 слоев. Непосредственно на подложке находится промежуточный слой из AlGaOx, где x от 0 до 3, толщиной 500 нм, на котором расположен чувствительный слой из GaAs толщиной 160 нм.

На фиг. 2 показан спектр второй оптической гармоники и изображение экспериментального образца, полученное методом сканирующей электронной микроскопии для метаповерхности №1. ϕ-угол между поляризацией накачки и кристаллической осью материала, из которого сделана метаповерхность.

На фиг. 3 представлена экспериментальная установка, на которой проводились измерения спектров второй оптической гармоники. МП-механический прерыватель, ПГ-призма Глана, СД-светоделитель, ОЗ-оптическое зеркало, ВГ - сигнал второй гармоники, λ/2 - поляризационная пластина.

На фиг 4 представлены зависимости смещения положения Фано-резонанса от изменения показателя преломления среды. Вставка справа-аппроксимация зависимости методом наименьших квадратов.

На фиг. 5 изображен принцип работы сенсора, выполненного на основе асимметричной метаповерхности, в которой возможно возбуждение высокодобротного резонанса Фано. Чувствительный к показателю преломления среды отклик метаповерхности возбуждается полупроводниковым импульсным лазером в ближней инфракрасной области спектра. С помощью светофильтра отрезается излучение накачки и полезный сигнал попадает на спектрометр с разрешением меньше 1 нм, которым детектируется сдвиг максимума второй гармоники за счет наличия примесей в среде.

Осуществление изобретения

Осуществление изобретения поясняется примером, демонстрирующим возможность экспериментального изготовления заявляемого устройства методами роста, литографии и травления метаповерхности, состоящего из асимметричных субволновых наночастиц из материалов с высоким показателем преломления относительно воздуха и подложки (а также промежуточных слоев при их наличии), на которой они расположены.

Изобретение основано на использовании асимметричной кремниевой метаповерхности, в которой возбуждается узкий (~5 нм) резонанс Фано с высокой добротностью (~600), спектральное положение которого зависит от показателя преломления окружающей среды. Как показывают проведенные исследования, для асимметричной поверхности в спектральной области резонанса Фано происходит локализация электромагнитного поля в объеме субволновых частиц, что проявляется в усилении на несколько порядков нелинейного отклика метаповерхности, более чувствительного к вариациям ближних полей, чем линейный. Изменения локальных полей происходят, в том числе, за счет изменения показателя преломления, который, в свою очередь, управляется составом среды. Большинство ранее предложенных сенсоров с использованием метаповерхностей изготавливались из металлических (плазмонных) наноструктур с высокими омическими потерями, приводящими как к ограничениям по интенсивности их использования, так и быстрому разрушению устройств за счет нагрева. В заявляемом решении активная часть сенсора состоит из наноструктурированной пластинки полупроводника, который обладает низкими омическими потерями и высоким показателем преломления в ближней ИК спектральной области. Кроме того, достаточно хорошо известны и отработаны технологии изготовлениях структур, являющихся к тому же КМОП-совместимыми с существующими электрическими чипами, включая электронно-лучевую литографию (Tsuchizawa, Т. et al., " Micro-photonics devices based on silicon microfabrication technology" IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, 11(1), 232-240 (2015)), фотолитографию (Terry, S. C. Et al., "A gas chromatographic air analyzer fabricated on a silicon wafer" IEEE transactions on electron devices, 26 (12), 1880-1886 (1979)). Важным преимуществом заявляемого устройства является использование нелинейного отклика вместо линейного, повышающего разрешение системы. Перечисленные особенности полупроводниковых метаповерхностей, используемых в заявляемом сенсоре, заметно расширяют области их практического применения.

Были проведены эксперименты с различными вариантами реализации заявляемого сенсора. В качестве подложки были использованы SiO2, оптическое стекло и GaAs с промежуточным (буферным) слоем из GaAsOx, где 0≤х≤3. Наибольшую перспективность и легкость при изготовлении показала система, расположенная на GaAs с буферным слоем из AlGaOx. Буферный слой необходим для создания разности показателя преломления между наночастицами и подложкой для возбуждения высоко добротных резонансов. Таким образом, в первом примере реализации изобретения на подложке из GaAs с промежуточным слоем толщиной 300 нм из AlGaOx были расположены параллелепипеды из GaAs с поперечными размерами 300 нм с нарушением симметрии за счет вытравления части полупроводникового материала со стороной 228 нм и 78 нм. Второй пример отличался способом создания асимметрии наночастиц посредством формирования одинаковых вырезов у двух углов, примыкающих к одной и той же грани с поперечным размером 50 нм. В третьем примере вместо параллелепипедов использовались нанодиски с вырезом в форме диска меньшего радиуса на оси. При детектировании сигнала второй оптической гармоники были исследованы различные материалы, показавшие свою эффективность: GaAs, AlGaAs, алмаз на прослойке из оксида соответствующего материла. Схематическое изображение активных областей представлено на фиг. 1. Было также исследовано, что вместо сигнала второй гармоники можно рассматривать нелинейный отклик, пропорциональный кубу оптического отклика - третью оптическую гармонику. Для этого наиболее перспективным материалом наночастиц является изотропный или анизотропный кремний с высокой кубической нелинейностью.

Заявляемый сенсор основан на использовании следующего алгоритма: для фиксированной влажности и температуры воздуха известна длина волны λ₀, соответствующая максимуму излучения второй оптической гармоники для метаповерхности с показателем преломления n и нормальным значением показателя преломления среды по. Длина волны определяется при подборе параметров активной области и диктуется особенностью полупроводникового материала, прозрачного в ближней ИК спектральной области и обладающего там высоким показателем преломления, а также техническими возможностями возбуждения и детектирования сигнала. При этом смешение положения резонанса зависит от изменения показателя преломления среды (λ-λ₀)~(n-n₀)^k. Получив данную зависимость для фиксированных пар температуры и влажности воздуха, определяются критические значения изменения показателя преломления для них.

Пример.

В рамках научного исследования в лаборатории нанооптики и метаматериалов удалось экспериментально реализовать несколько вариантов конфигураций активной области сенсора, показанной на фиг. 1. Описываемые решения реализации метаповерхностей и проведенные с ними эксперименты подтверждают возможность достижения описанного технического результата.

Были изготовлены образцы метаповерхностей с периодом 0.47 и 0.67 мкм (подробно размеры указаны в описании фиг. 1). Параметры метаповерхности выбирались таким образом, чтобы возбуждался Фано-резонанс со спектральной шириной порядка 5 нм в ближней инфракрасной области, при этом чтобы система оставалась устойчивой к неточностям изготовления. Важно учитывать и свойства GaAs таким образом, чтобы работать в области его оптической прозрачности. Площадь всей рабочей области метаповерхности составила 2-3 мм, количество элементарных ячеек - порядка 4000×4000 штук.

На фиг. 1 представлен сводный график полученных спектров мощности ВГ, нормированных на мощность накачки метаповерхностей всех трех рассмотренных моделей в окрестности высокодобротного Фано-резонанса. Наибольшую эффективность (отношение мощности второй гармоники к мощности накачки), превосходящую 50%, показывает метаповерхность №1. Метаповерхность №2 демонстрирует эффективность в 20%, в то время как эффективность метаповерхности №3 составляет 15%. Данные три дизайна являются перспективными, так как в них отмечается усиление второй гармоники, которое обладает узким профилем и чувствительно к показателю преломления, отработана методика изготовления и возбуждения систем. Важно отметить, что при создании асимметрии размер участка должен быть не менее 5% от общей площади данной фигуры, иначе его влияние на оптический отклик будет не заметным в связи с малым объемом для локализации в нем части электромагнитного излучения.

При изготовлении образцов метаповерхностей для лабораторного эксперимента использовалась комбинация методов металл-органического осаждения, электроннолучевой литографии и плазменного травления. Метаповерхность ориентирована относительно кристаллической оси [100] материала оптимальным образом - кристаллическая ось направлена к той грани наноантенны, которая содержит вертикальные вырезы вдоль ребер, относящихся к этой грани.

Изготовленные сенсоры представляют собой близко расположенные (период около 500 нм) наночастицы, формы которых представлены на фиг. 1. В спектральной области резонанса Фано таких метаповерхностей происходит сильная локализация электромагнитного поля в объеме наноструктур, что проявляется в усилении на несколько порядков нелинейного отклика метаповерхности. Резонанс Фано типа возникает за счет наличия асимметрии в элементарной ячейке. Как известно, нелинейный отклик системы является более чувствительным к изменению локальных полей, чем линейный, что приводит к чувствительности отклика к окружающей среде. Для возбуждения системы в рамках лаборатории использовался лазер Coherent Chameleon Vision П. Данный лазер генерирует излучение в спектральном диапазоне от 680 нм до 1080 нм с максимальной средней мощностью равной 3 Вт, длительность импульса составляет примерно 140 фс, диаметр пучка равен 1.2±0.2 мм. Использование фемтосекундных импульсов необходимо для эффективного возбуждения нелинейного отклика системы. Такие пучки обладают высокой пиковой мощностью и низкой средней мощностью. При этом не происходит перегрева и плавления системы, кроме того, локального поля хватает для возбуждения отклика на частоте второй гармоники, чего сложнее достичь при облучении системы непрерывным излучением. Таким образом, спектр излучения лазера покрывает спектральный диапазон, в котором находится высокодобротный резонанс Фано. Для улучшения разделения сигнала и шума использовался механический прерыватель луча для синхронного детектирования на его частоте, что может быть реализовано на оптическом чипе. Для лучшей демонстрации сенсора использовались дополнительные оптические элементы, не представленные в конечном образце на фиг. 5. Пластинка λ/2 использовалась для того, чтобы управлять поляризацией падающего на образец излучения. Роль светоделителя выполняло дихроичное зеркало, отражающее излучение оптического диапазона, но при этом пропускающее излучение ближнего ИК диапазона. Излучение лазера фокусировалось на метаповерхности или опорном образце (неструктурированный GaAs) с помощью линзы с фокусным расстоянием 3 см. Наличие опорного образца необходимо для дальнейшей нормировки мощности от наноструктурированных образцов. Данная процедура является частью юстировки датчика. Излучение ВГ для разных значений показателя преломления фокусировалось в спектрометр, перед которым стояли фильтры, призванные отсечь остатки исходного лазерного излучения. На фиг. 2 ярко выраженный резонанс наблюдается в экспериментальном спектре ВГ, а спектральное положение резонансного пика принадлежит интервалу (1040±10) нм, где 1040 нм - целевое положение резонанса. Видно, что мощность ВГ метаповерхности типа №1 оказалась почти на два порядка выше мощности второй гармоники от неструктурированного арсенида галлия, но только при оптимальной ориентации поляризации накачки. Это указывает на то, что, во-первых, действительно удалось получить усиление отклика в нужном спектральном диапазоне, а также что его положение однозначно регистрируется в эксперименте и выделается относительно фонового излучения с подложки. Спектральная ширина в случае оптимальных ориентаций накачки и метаповерхности относительно кристаллической оси составила в результате лабораторного эксперимента 20 нм. Полученная добротность резонанса выше существующих аналогов, использованных для создания датчиков газо-воздушной среды. На метаповерхностях 2 и 3 также наблюдалось усиление второй гармоники, однако, что согласуется с численным расчетом, оно было слабее в эксперименте и ширина резонанса была больше, чем на метаповерхности 1. Все образцы показали возможность усиливать нелинейный отклик при слабых мощностях излучения накачки, полученные резонансы оказались уже, чем у аналогов, в том числе симметричной метаповерхности, что увеличивает чувствительность систем к изменению показателя преломления окружающей среды. Также все три системы показали низкие омические потери и устойчивость к флуктуациям мощности, а также возможность смещения резонанса при изменении показателя преломления среды, что более подробно описано ниже.

Для регистрации изменения состава воздуха проводится как минимум два измерения для фиксированной пары влажность и температура: калибровочное (в среде, которую мы считаем нормальной) и тестовое измерение исследуемого воздуха. Для двух случаев положение максимума сигнала будет различаться, также во многих случаях возможно изменение интенсивности. Сравнивая положения максимума, можно определить, опасна ли газо-воздушная среда в данный момент. Было проведено множество измерений для различных температур и влажностей воздуха и показателей преломления среды, чтобы создать аналог карты допустимого показателя преломления. Данный сенсор не может определять состав воздуха, однако может по изменению показателя преломления, полученному через смещение резонанса научиться выявлять наиболее вероятные ситуации и делить их на приемлемые, опасные и очень опасные. Для контроля температуры и количества газа в воздухе использовалась криогенная установка, в которой можно откачивать газ до нужного состояния или же работать при открытой камере для калибровочных измерений. Таким образом, проводились следующие эксперименты. Сначала в комнатной среде, которую мы считаем нормальной, в течение нескольких недель проводились измерения спектрального положения второй оптической гармоники методом, описанным выше. При этом каждый день естественным образом менялись влажность и давление воздуха. Все показатели фиксировались. Далее в тот же день, то есть при тех же атмосферных условиях, проводились измерения спектров второй гармоники с различной концентрацией примесей. Для каждого дня получались следующие массивы данных: λ₀ - максимум второй гармоники при нормальных условиях и λ_1…n - максимум второй гармоники для различной концентрации вредных веществ. Далее строилась зависимость: m*(λ₀-λ_i)^k=n и определялись коэффициенты m и k с помощью встроенных библиотек python. В результате получились кривые зависимости смещения максимума второй оптической гармоники от показателя преломления для различных атмосферных условий. Зависимости экстраполируются на более широкий диапазон изменения показателя преломления и влажности воздуха. При данном методе разрешение сенсора ограничивается в основном возможностью детектирующей техники. В рамках тестирования датчика удалось достигнуть точности измерения показателя преломления меньше, чем 10^-3.

Таким образом, при помощи асимметричной наноразмерной метаповерхности можно оценивать пригодность воздуха по его показателю преломления, регистрируемому по смещению нелинейного отклика системы. Сенсор совместим с существующими интегральными чипами, имеет низкую стоимость массового изготовления, стабилен к температурным флуктуация и способам возбуждения. Кроме того, в представленной конфигурации он не уступает в точности другим интегральным датчикам, в большинстве случаев превосходя их.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается оптического сенсора для определения наличия примесей в газо-воздушных средах. Сенсор включает подложку из оптически прозрачного диэлектрического материала с коэффициентом преломления n1 и расположенную на ней чувствительную поверхность, образованную наночастицами из оптически прозрачного диэлектрического материала с коэффициентом преломления n2>n1, имеющими субволновые размеры и расположенными на субволновом расстоянии друг от друга. Наночастицы представляют собой элементарные ячейки, имеющие асимметричную форму, характеризующуюся отсутствием вращательной симметрии, и расположены на подложке с образованием полупроводниковой упорядоченной метаповерхности в виде двумерной периодической решетки с обеспечением коллективных резонансов при воздействии на них фемтосекундных импульсов. Технический результат заключается в повышении устойчивости к изменению температуры и увеличении чувствительности сенсора. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Оптический сенсор для определения наличия примесей в газо-воздушных средах, включающий подложку из оптически прозрачного диэлектрического материала с коэффициентом преломления n1 и расположенную на ней чувствительную поверхность, образованную наночастицами из оптически прозрачного диэлектрического материала с коэффициентом преломления n2, имеющими субволновые размеры и расположенными на субволновом расстоянии друг от друга, где n2>n1, отличающийся тем, что наночастицы представляют собой элементарные ячейки, имеющие асимметричную форму, характеризующуюся отсутствием вращательной симметрии, и расположены на подложке с образованием полупроводниковой упорядоченной метаповерхности в виде двумерной периодической решетки с обеспечением коллективных резонансов при воздействии на них фемтосекундных импульсов.

2. Оптический сенсор по п. 1, отличающийся тем, что асимметричная форма наночастиц образована добавлением к элементу симметричной формы по меньшей мере одного элемента асимметричной формы.

3. Оптический сенсор по п. 2, отличающийся тем, что площадь участка фигуры, образованной элементом симметричной формы в поперечной плоскости, параллельной поверхности подложки, составляет не менее 5% от общей площади данной фигуры.

3. Оптический сенсор по п. 1, отличающийся тем, что высота наночастиц меньше характерного линейного размера метаповерхности по меньшей мере в 100 раз.

4. Оптический сенсор по п. 1, отличающийся тем, что наночастицы друг от друга находятся на расстоянии меньше длины волны, которое сравнимо с их сечением по всей метаповерхности.

5. Оптический сенсор по п. 1, отличающийся тем, что между подложкой и наночастицами расположен по меньшей мере один промежуточный слой из материала, отличающегося от материалов подложки и наночастиц, при этом подложка выполнена из материала с показателем преломления n1<1.6, наночастицы - из материала с показателем преломления n2>2.5, промежуточный слой - из материала с показателем преломления n3, 1.6<n3<2.