CN104931459A - 一种基于表面等离子体双带零反射的传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于表面等离子体双带零反射的传感器，该传感器包括金属平板以及设置在金属平板上的波导，所述的波导上设有光栅层，该光栅层包括多条呈周期性布设在波导上的金属光栅，所述的金属光栅的周期为1000-1500nm，所述的波导的厚度为70-120nm。与现有技术相比，本发明结构简单，可操作性强，设计的完美吸收(零反射)传感器很灵活，通过阻抗匹配来获得在特定周围材料里的完美吸收(零反射)，充分利用纳米结构中金属的损耗，并将表面等离子体中完美吸收(零反射)这一特殊物理现象与基本的传感原理相结合，开创了表面等离子体传感器应用的一个新途径，并将促进新的纳米生物/化学传感器的发展。

Description

一种基于表面等离子体双带零反射的传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，涉及一种基于表面等离子体双带零反射的传感器。

背景技术

表面等离子体是由光和金属表面自由电子的相互作用所引起的一种电磁波模式。这种模式存在于金属与介质界面附近，其场强在界面处达到最大，且在界面两侧均沿垂直于界面的方向呈指数式衰减。

在表面等离子体光子学中，金属纳米颗粒的光学特性是许多应用的基础，比如表面增强谱、近场扫描光显微镜等。在实际应用时，表面等离子体纳米结构的损耗是不可避免的。人们一般采用优化结构的几何参数或利用增益材料来减少这种损耗。最初，推动人们对超颖材料(Metamaterials,MM)进行研究的动力，是能实现负折射率，这种负折射率是通过构建等效介电常数ε(ω)和等效磁导率μ(ω)能独立表征的亚波长复合材料来实现的。同时，超颖材料能够允许通过来调整阻抗，而这是天然材料无法获得的特性。这种设计折射率n(ω)和阻抗Z(ω)的方法为从微波到可见光实现电磁响应，提供了前所未有的机遇，这包括隐身、集线器、调制器及表面等离子体等技术。近几年，超颖材料完美吸收概念的提出，激发了一个可以将表面等离子体结构中金属损耗变成优势的新研究领域。

市场上的光吸收器远不能满足应用所需要的最佳黑体性能。人们尤其迫切期望能得到微纳尺度更有效的吸收器，这是因为完美吸收器在微纳尺度光连接中，对防止串扰能起到非常重要的作用，同时，也可在传感器、太阳能光电池、超光谱影像、微测热辐射计中得到应用，或者也可作为涂覆层用于阻止反射波。然而，目前在完美吸收(零反射)传感器方面的研究报道甚少。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于表面等离子体双带零反射的传感器，该传感器主要是根据超颖材料通过阻抗配匹，将反射率减小到最小的同时，将超颖材料的损耗最大化，以此来消除透射的思路进行结构设计。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于表面等离子体双带零反射的传感器，该传感器包括金属平板以及设置在金属平板上的波导，所述的波导上设有光栅层，该光栅层包括多条呈周期性布设在波导上的金属光栅，所述的金属光栅的周期为1000-1500nm，所述的波导的厚度为70-120nm；

工作时，外界平面电磁波垂直于金属光栅周期方向由上部正入射进传感器中，此时，平面电磁波的极化方向与金属光栅周期方向平行，所述的金属光栅与金属平板相互激发并产生反向环行电流，该环行电流产生磁共振，与入射平面电磁波的磁场产生相互作用，并在金属光栅与金属平板之间建立局部电磁场能量，该局部电磁场能量被限制在波导中，进而实现零反射。

所述的金属平板为矩形金属平板，并且所述的金属光栅沿横向呈周期性布设在波导上。

所述的金属平板的厚度为1000nm。

所述的金属光栅的长度为100nm，厚度为50nm。

所述的金属光栅的周期为1200nm。

所述的波导为硅波导。

所述的硅波导的厚度为90nm。

所述的金属平板采用金材质制备而成。

所述的金属光栅采用银材质制备而成。

本发明所设计的基于表面等离子体双带零反射传感器，完美吸收(零反射)只发生在周围介质为某一特定折射率，当周围介质的折射率发生变化时，会导致非完美吸收(非零反射)，基于这一特性，能非常灵敏地测量某一固定频率条件下，反射谱强度的变化情况。

在实际应用中，本发明传感器的品质因子，取决于硅波导及金属光栅的几何参数和金属光栅的周期，经实验表明，以空气为参考媒介时，其品质因素FOM*可达3084，而以水为参考媒介时，其品质因素FOM*可达25370，这也为表面等离子体传感器的应用提供了一个可替换的方案。

与现有技术相比，本发明整体结构简单，可操作性强，设计的完美吸收(零反射)传感器很灵活，通过阻抗匹配来获得在特定周围材料里的完美吸收(零反射)，充分利用纳米结构中金属的损耗，并将表面等离子体中完美吸收(零反射)这一特殊物理现象与基本的传感原理相结合，开创了表面等离子体传感器应用的一个新途径，并将促进新的纳米生物/化学传感器的发展。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为仿真计算得到的本发明吸收谱随金属光栅的周期变化关系图；

图3为仿真计算得到的本发明吸收谱随硅波导厚度变化关系图；

图4为计算所得本发明的反射谱与透射谱图；

图5为金属光栅周围介质分别为空气及水时数值计算得到的吸收谱(a)和反射谱(b)图；

图6为本发明品质因素FOM^*随入射波长变化关系图；

图7为仿真计算得到的以水为参考介质时本发明的反射谱图；

图8为本发明以水为参考介质时计算得到的品质因素FOM^*随入射波长的变化关系图；

图中标记说明：

1—金属平板、2—波导、3—金属光栅、4—平面电磁波。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1：

如图1所示，本实施例基于表面等离子体双带零反射的传感器，包括金属平板1以及设置在金属平板1上的波导2，波导2上设有光栅层，该光栅层包括多条呈周期性布设在波导2上的金属光栅3，工作时，外界平面电磁波4垂直于金属光栅3周期方向由上部正入射进传感器中，此时，平面电磁波4的极化方向与金属光栅3周期方向平行，金属光栅3与金属平板1相互激发并产生反向环行电流，该环行电流产生磁共振，与入射平面电磁波4的磁场产生相互作用，并在金属光栅3与金属平板1之间建立局部电磁场能量，该局部电磁场能量被限制在波导2中，进而实现零反射。

其中，金属平板1为矩形金属平板，采用金材质制备而成，并且金属光栅3沿横向呈周期性布设在波导2上，波导2为硅波导，金属光栅3采用银材质制备而成。

下面的结果是用时域有限差分方法计算得到的。计算区域包含单个周期(图1中虚线框所包围的区域)，沿着周期方向利用了周期边界条件，垂直周期方向上采用了完美匹配吸收边界条件，平面电磁波垂直于金属光栅3周期方向从上面正入射进结构，平面电磁波的极化方向沿着金属光栅3的周期方向。

仿真计算得到的吸收谱(周围背景材料为空气)随金属光栅3周期及硅波导厚度变化的关系分别如图2和3所示。

图2仿真计算中，金属光栅3长度为100nm，厚度为50nm，周期变化范围为1000-1500nm，以10nm为间隔，硅波导厚度为90nm，金属平板1的厚度为1000nm，入射平面电磁波的波长范围是1350nm到2150nm。从图2中可以看出，吸收谱随着金属光栅3的周期变化而变化，并且当金属光栅3的周期为1300nm时，在波长1565nm和1998nm分别得到吸收率达99.93％和99.86％，即得到近似双带完美吸收(零反射)。

图3是仿真计算得到的吸收谱(周围背景材料为空气)随硅波导厚度变化的关系图。仿真计算中，金属光栅3长度为100nm，厚度为50nm，金属光栅3的周期为1200nm，硅波导厚度变化范围为70-120nm，以10nm为间隔，金属平板1的厚度为1000nm。从图3中可以看出，当硅波导厚度为80nm时，在波长1460nm和1886nm吸收率分别达到99.5％和99.99％；当硅波导厚度为90nm时，在波长1519nm和1957nm能分别得到高达99.2％和99.88％的吸收率。

由图2及图3分析可得，在实际应用时，可以通过改变表面等离子体结构参数来调节双带完美吸收(零反射)的波长位置。

图4是将优化后结构参数为金属光栅3长度为100nm，厚度为50nm，周期为1300nm，硅波导厚度为90nm的传感器放置在空气(n＝1)中，计算得到其反射(红色实线)和透射谱(蓝色虚线)。从图4中可看出，由于结构底层金属平板1的存在，红外区域的透射几乎全部被消除，可以近似认为金属光栅3的厚度(用T表示)为0。优化的结构参数可以使传感器的阻抗与空气中的阻抗匹配，使传感器共振的反射最小，即R＝0，故可得到吸收A＝1-T-R的完美吸收，即零反射，可以解释为外界平面电磁波4垂直于金属光栅3周期方向由上部正入射进传感器中，此时，平面电磁波4的极化方向与金属光栅3周期方向平行，金属光栅3与金属平板1相互激发并产生反向环行电流，该环行电流产生磁共振，与入射平面电磁波4的磁场产生相互作用，并在金属光栅3与金属平板1之间建立局部电磁场能量，该局部电磁场能量被限制在波导2中，进而实现零反射。这也就导致了反射谱dip中非常明显的零反射率如图4所示，也就得到了近似100％的吸收。

图5是金属光栅3周围的介质分别是空气和水时计算得到的吸收谱(a)和反射谱(b)。传感器的原理在于零反射(即完美吸收)只在周围介质为某一特定折射率时发生，当周围介质的折射率发生变化时就会导致非零反射(即非完美吸收)，基于这一特性，可以非常灵敏地测量某一固定频率情况下反射谱强度的变化。图5(a)所示为传感器在空气中时，在波长为1565nm、1998nm时反射最小分别能达到0.07％和0.14％，对应吸收分别为99.93％和99.86％。而当传感器放于水中时，如图5(b)所示，波长1565nm处由于周围介质折射率发生变化，导致了反射率明显从0.07％增加到64.66％，波长1998nm处反射率明显从0.14％增加到84.96％。说明双带都可以用做传感器。

定义品质因素FOM*来表征吸收传感器的特征：

${\mathrm{FOM}}^{*}=max\left|\frac{dI\left(\mathrm{\λ}\right)/dn\left(\mathrm{\λ}\right)}{I\left(\mathrm{\λ}\right)}\right|$

式中dI/I是在固定波长λ时由折射率变化dn引起的相对强度变化。

图6是本发明所设计的传感器放在水中时计算得到的品质因素FOM*随入射波长变化的关系图。用公式(1)计算时，分子中折射率变化dn＝1.312-1＝0.312，dI＝I水-I空气，分母中I＝I空气。品质因素FOM*在波长为1564nm时达到最大值为3084。完美吸收传感器最基本的优点在于它只需直接测量单个波长的反射谱。需要说明一点就是本实施例完美吸收传感器可以通过结构参数的调整来调节其频率到其他波段。

图7是仿真计算得到的以水为参考介质时完美吸收传感器的反射谱。

为了说明完美吸收器应用除了可以是空气介质，还可以应用于其他介质比如水或具有某一折射率的葡萄糖溶液。本实施例仿真计算了水为介质时完美吸收传感器，如图7所示。此时，传感器的优化结构参数为：光栅长度为100nm、厚度为50nm、周期为1100nm，硅波导厚度为95nm。这里水的折射率n＝1.312，不同浓度的葡萄糖溶液折射率n变化范围为：1.322-1.352。计算方法与图2、图3、图4及图5相同。

图8是以水为参考介质时计算得到的品质因素FOM^*随入射波长的变化关系图。从图8中可以看出在波长为2106nm时，品质因素FOM^*达到最大值为25370。

实施例2：

本实施例基于表面等离子体双带零反射的传感器，包括金属平板1以及设置在金属平板1上的波导2，波导2上设有光栅层，该光栅层包括多条呈周期性布设在波导2上的金属光栅3。

其中，金属平板1为矩形金属平板，厚度为1000nm，金属光栅3的长度为100nm，厚度为50nm，周期为1000nm，并沿横向呈周期性布设在波导2上，而波导2为硅波导，该硅波导的厚度为70nm。

本实施例中，金属平板1采用金材质制备而成，金属光栅3采用银材质制备而成，工作时，外界平面电磁波4垂直于金属光栅3周期方向由上部正入射进传感器中，此时，平面电磁波4的极化方向与金属光栅3周期方向平行，金属光栅3与金属平板1相互激发并产生反向环行电流，该环行电流产生磁共振，与入射平面电磁波的磁场产生相互作用，并在金属光栅3与金属平板1之间建立局部电磁场能量，该局部电磁场能量被限制在波导2中，进而实现零反射。

实施例3：

本实施例中，金属光栅3的周期为1500nm，并沿横向呈周期性布设在波导2上，而波导2为硅波导，该硅波导的厚度为120nm，其余同实施例2。

实施例4：

本实施例中，金属光栅3的周期为900nm，并沿横向呈周期性布设在波导2上，而波导2为硅波导，该硅波导的厚度为80nm，其余同实施例2。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种基于表面等离子体双带零反射的传感器，该传感器包括金属平板以及设置在金属平板上的波导，其特征在于，所述的波导上设有光栅层，该光栅层包括多条呈周期性布设在波导上的金属光栅，所述的金属光栅的周期为1000-1500nm，所述的波导的厚度为70-120nm；

工作时，外界平面电磁波垂直于金属光栅周期方向由上部正入射进传感器中，此时，平面电磁波的极化方向与金属光栅周期方向平行，所述的金属光栅与金属平板相互激发并产生反向环行电流，该环行电流产生磁共振，与入射平面电磁波的磁场产生相互作用，并在金属光栅与金属平板之间建立局部电磁场能量，该局部电磁场能量被限制在波导中，进而实现零反射。

2.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子体双带零反射的传感器，其特征在于，所述的金属平板为矩形金属平板，并且所述的金属光栅沿横向呈周期性布设在波导上。

3.根据权利要求2所述的一种基于表面等离子体双带零反射的传感器，其特征在于，所述的金属平板的厚度为1000nm。

4.根据权利要求2所述的一种基于表面等离子体双带零反射的传感器，其特征在于，所述的金属光栅的长度为100nm，厚度为50nm。

5.根据权利要求4所述的一种基于表面等离子体双带零反射的传感器，其特征在于，所述的金属光栅的周期为1200nm。

6.根据权利要求2所述的一种基于表面等离子体双带零反射的传感器，其特征在于，所述的波导为硅波导。

7.根据权利要求6所述的一种基于表面等离子体双带零反射的传感器，其特征在于，所述的硅波导的厚度为90nm。

8.根据权利要求2所述的一种基于表面等离子体双带零反射的传感器，其特征在于，所述的金属平板采用金材质制备而成。

9.根据权利要求2所述的一种基于表面等离子体双带零反射的传感器，其特征在于，所述的金属光栅采用银材质制备而成。