CN103728275B - 基于光学Tamm态等离激元的光折射率传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光学Tamm态等离激元的光折射率传感器，包括金属薄膜和分布式布拉格反射镜，所述分布式布拉格反射镜包括若干层相互交替排列的高折射率层和空气层，相邻的两个高折射率层之间由连接块连接，所述金属薄膜紧邻于分布式布拉格反射镜中的高折射率层的一侧。本发明具有结构简单、体积小、易制作、易集成、传感范围大和灵敏度高等特点，为折射率传感器的研制提供了新的手段，有助于进一步推动高灵敏度、宽测量范围微纳型光折射率传感器的发展。

Description

基于光学Tamm态等离激元的光折射率传感器
技术领域
本发明属于光电子技术领域，涉及传感器件，尤其是一种基于光学Tamm态等离激元的光折射率传感器。
背景技术
近年来，基于SPR（表面等离子体谐振）的光传感器已经受到极大关注，广泛应用于化学、生物、环境监测等方面。然而基于SPR的大多数的折射率传感器对入射光都有特定的要求，而且传感范围都比较小。
光学Tamm态等离激元(OTP)作为一种界面模式，是由固体物理中的Tamm态类比而来，由A.V.Kavokin等人于2005年首次提出。作为一种特殊的表面波，和传统的表面等离子体波（SP）相比，光学Tamm态等离激元(OTP)既可由横电波激发，又可由横磁波激发，并且无需特定的入射角及额外的色散匹配，形成条件相对简单。除此之外，光学Tamm态等离激元(OTP)对光的限制能力比表面等离子体波（SP）更强。目前，光学Tamm态等离激元(OTP)已经应用在了光开关、双稳逻辑控制、滤波器、激光器、增强宽带吸收及非线性效应等方面。另外，光学Tamm态等离激元(OTP)在提高传感器传感性能方面也展示了非常好的前景。
光子晶体或者分布式布拉格反射镜（DBR）结构被认为是观察光学Tamm态等离激元(OTP)的理想结构，因此对于光学Tamm态等离激元(OTP)的研究也主要集中在这两种结构上。光从金属-DBR结构中的金属一侧入射，激发的光学Tamm态等离激元(OTP)被限制在金属与分布式布拉格反射镜（DBR）的分界面处，分界面处的光强最强，在垂直于分界面的两侧光强迅速衰减。
在反射谱中与光学Tamm态等离激元(OTP)对应的极小值处波长及反射率对结构参数及环境折射率变化非常敏感，可用于设计高灵敏度光学传感器。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种提高折射率测量范围和传感灵敏度的基于光学Tamm态等离激元的光折射率传感器。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种基于光学Tamm态等离激元的光折射率传感器，包括金属薄膜和分布式布拉格反射镜，所述金属薄膜位于分布式布拉格反射镜的一侧。
对上述方案作进一步优选，所述分布式布拉格反射镜包括若干层相互交替排列的高折射率层和空气层，相邻的两个高折射率层之间由连接块连接。
对上述方案作进一步优选，所述高折射率层和空气层的厚度均为λ/4n，其中，λ为分布式布拉格反射镜的中心波长，n为高折射率层或空气层的介质折射率。
对上述方案作进一步优选，所述金属薄膜紧邻于分布式布拉格反射镜中的高折射率层的一侧。
入射光从金属薄膜一侧入射，当外界环境折射率变化时，会引起反射谱中与光学Tamm态等离激元对应的极小值处的波长及反射率发生变化，通过监测它们的变化量确定外界折射率的大小。
反射谱极小值处的反射率随环境折射率的变化曲线有一波谷，在该波谷附近，器件对折率变化的灵敏度极高，可针对该区域的折射率进行高精度传感；改变入射光的偏振态、入射角度、分布式布拉格反射镜的周期数或中心波长、金属厚度，可调整高灵敏区域对应的折射率范围。
对上述方案作进一步优选，所述金属薄膜的材料为银。
对上述方案作进一步优选，所述高折射率层的材料为硅。
对上述方案作进一步优选，所述连接块的材料为二氧化硅。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明的高折射率层/空气层的高折射率对比结构大大减少了形成光学Tamm态等离激元所需分布式布拉格反射镜的层数，同时被暴露在空气层中的光场对外界折射率的变化更加敏感。
2.利用本发明综合检测反射谱极小值处的波长及反射率两个参数，可同时实现折射率的宽范围和高精度的测量。
3.本发明利用强折射率对比形成的分布式布拉格反射镜，在分布式布拉格反射镜周期数比较少的情况下形成光学Tamm态等离激元，降低了制作难度，并提高了传感的灵敏度。
4.本发明通过调整金属厚度、入射光角度、偏振态及布拉格反射镜中心波长，可以实现反射谱极小值处反射率随折射率的单调变化，进一步提高折射率的测量范围。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明基于光学Tamm态等离激元的光折射率传感器；
图2是本发明实施例中选取金属薄膜为50nm厚的银薄膜，在入射光垂直入射情况下，反射谱中与光学Tamm态等离激元对应的极小值处波长随外界折射率变化的曲线图；
图3是本发明实施例中选取金属薄膜为50nm厚的银薄膜，在入射光垂直入射情况下，反射谱中与光学Tamm态等离激元对应的极小值处反射率随外界折射率变化的曲线图；
图4是入射光为横电波时，不同入射角下极小值处反射率随外界环境折射率变化的曲线图；
图5是入射光为横磁波时，不同入射角下极小值处反射率随外界环境折射率变化的曲线图；
图6是本发明实施例中选取金属薄膜为56nm厚的银薄膜，在入射光垂直入射情况下，反射谱中极小值处反射率随外界折射率单调变化的曲线图。
图1中：1为金属薄膜；2为高折射率层；3为空气层；4为连接块。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作详细说明。
如图1所示，一种基于光学Tamm态等离激元的光折射率传感器，包括金属薄膜1和分布式布拉格反射镜，所述金属薄膜1位于分布式布拉格反射镜的一侧。
所述分布式布拉格反射镜包括若干层相互交替排列的高折射率层2和空气层3，相邻的两个高折射率层2之间由连接块4连接。
所述高折射率层2和空气层3的厚度均为λ/4n，其中，λ为分布式布拉格反射镜的中心波长，n为高折射率层2或空气层3的介质折射率。
所述金属薄膜1紧邻于分布式布拉格反射镜中的高折射率层2的一侧。
入射光从金属薄膜1一侧垂直入射，当外界环境折射率变化时，会引起反射谱中与光学Tamm态等离激元对应的极小值处的波长及反射率发生变化，通过监测它们的变化量确定外界折射率的大小。
反射谱极小值处的反射率随环境折射率的变化曲线有一波谷，该波谷附近器件对折率变化的灵敏度极高，可针对该区域的折射率进行高精度传感；改变入射光的偏振态、入射角度、分布式布拉格反射镜的周期数或中心波长、金属厚度，可调整高灵敏区域对应的折射率范围。
实施例
本实施例选取金属薄膜1的材料为银、高折射率层2的材料为硅、连接块4的材料为二氧化硅。金属银薄膜的厚度为50nm，紧挨着金属银薄膜的是分布式布拉格反射镜，由硅层和空气层相互交替排列组成，周期数为4，硅层的厚度为l/4n，空气层由二氧化硅层被腐蚀后得到，厚度为l/4，其中，l表示分布式布拉格反射镜（DBR）的中心波长，n表示硅介质的折射率。本实施例中选取分布式布拉格反射镜（DBR）的中心波长为400nm，硅的折射率为3.42时的金属-DBR结构。
图2、图3分别为上述金属-DBR结构在入射光垂直入射情况下，反射谱中与光学Tamm态等离激元对应的极小值处波长和反射率随外界折射率变化的曲线图，可以看出当外界环境折射率增大时，极小值处波长向长波长方向移动；极小值处反射率在环境折射率n=1.38的转折点处变化最为明显。在具体传感过程中，同时结合极小值处波长及反射率变化对折射率的影响可以提高传感范围和传感灵敏度。
图4、图5分别为上述金属-DBR结构在入射光为横电波和横磁波时，不同入射角下极小值处反射率随外界环境折射率的变化曲线图。可以看出，通过改变入射角可以控制和优化该传感器的敏感性和传感范围。
图6为选取金属银薄膜厚度为56nm时，在入射光垂直入射情况下，反射谱中极小值处反射率随外界折射率单调变化的曲线图。实现了反射谱中极小值处反射率随外界折射率的单调变化，提高了测量范围。
通过本发明，可以利用反射谱中与光学Tamm态等离激元对应的极小值处波长和/或反射率的变化量来确定外界环境折射率，这对于光学传感具有重要实际意义。
本实施例中的金属薄膜1的材料除了为银以外，还可为金、铝、铜等可与布拉格反射镜结合并产生光学Tamm态等离激元的材料。
本实施例中的高折射率层2的材料除了为硅以外，还可为二氧化硅、锗、砷化镓等可与金属薄膜1结合产生光学Tamm态等离激元的光学介质材料。
本实施例中的连接块4的材料可与高折射率层2的材料一致或为二氧化硅、二氧化钛、锗、砷化镓等可与高折射率层2结合的材料。
本发明的传感器结构还可在光纤上制作，使信号光的传输和收集更容易。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明可扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (7)

1.一种基于光学Tamm态等离激元的光折射率传感器，其特征在于：包括金属薄膜（1）和分布式布拉格反射镜，所述金属薄膜（1）位于分布式布拉格反射镜的一侧。
2.根据权利要求1所述的基于光学Tamm态等离激元的光折射率传感器，其特征在于：所述分布式布拉格反射镜包括若干层相互交替排列的高折射率层（2）和空气层（3），相邻的两个高折射率层（2）之间由连接块（4）连接。
3.根据权利要求2所述的基于光学Tamm态等离激元的光折射率传感器，其特征在于：所述高折射率层（2）和空气层（3）的厚度均为λ/4n，其中，λ为分布式布拉格反射镜的中心波长，n为高折射率层（2）或空气层（3）的介质折射率。
4.根据权利要求2所述的基于光学Tamm态等离激元的光折射率传感器，其特征在于：所述金属薄膜（1）紧邻于分布式布拉格反射镜中的高折射率层（2）的一侧。
5.根据权利要求1所述的基于光学Tamm态等离激元的光折射率传感器，其特征在于：所述金属薄膜（1）的材料为银。
6.根据权利要求2所述的基于光学Tamm态等离激元的光折射率传感器，其特征在于：所述高折射率层（2）的材料为硅。
7.根据权利要求2所述的基于光学Tamm态等离激元的光折射率传感器，其特征在于：所述连接块（4）的材料为二氧化硅。
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