CN105259141A - 一种基于多孔铝膜结构的表面等离子共振高折射率传感器及其应用 - Google Patents

Abstract

一种基于多孔铝膜结构的表面等离子共振高折射率传感器，包括石英波导和设置在所述石英波导上表面设置的多孔金属铝膜层以及入射光源和探测器。本发明采用多孔金属层结构作为传感结构，显著增强了表面等离子共振强度，极大提高传感器的灵敏度。本发明所述多孔结构形成微纳传感结构，可同时应用于高折射率和低折射率监测的表面等离子共振生物传感器。

Description

一种基于多孔铝膜结构的表面等离子共振高折射率传感器及其应用

技术领域

本发明涉及一种基于多孔铝膜结构的表面等离子共振高折射率传感器及其应用，属于传感器的技术领域。

背景技术

由于表面等离激元(SurfacePlasmonPolariton,SPP)具有独特的光学特性,在单分子探测,新型显示、太阳能电池、以及负折射材料等方面有着重要的应用前景,成为当前研究的学者广泛重视的热点领域之一。其中，表面等离子体共振(surfaceplasmonresonance，SPR)技术因具有无需标记、高灵敏、高特异性、实时和快速等优势，被广泛应用于生物传感器中。但是目前国内外针对光纤的研究主要存在以下问题：

1)国内外报道的表面等离子共振高折射率传感器多数基于金属镀膜结构，存在稳定性差、激发效率低以及对比度小等问题；

2)有关在普通范围内折射率检测的表面等离子共振高折射率传感器较多，而应用于较高折射率环境下的传感器鲜为报道。

发明内容

针对现有的技术不足，本发明提供一种基于多孔铝膜结构的表面等离子共振高折射率传感器。本发明通过优化孔径、厚度以及周期等参数，增强亚波长孔径中的反常光透射现象，从而在多孔结构中形成了2个共振峰；在可见光波段，利用2个共振峰极大的增加了折射率的检测范围，有望在高折射率检测场合得到重要应用。

本发明还提供一种利用上述传感器的传感方法。本发明具有激发效率高、可实现大范围折射率测量以及稳定性好等优点。

技术术语解释：

石英波导：由于石英的折射率较大，因此耦合进石英的光会发生全反射，进而在石英中传输，形成波导。

本发明的技术方案如下：

一种基于多孔铝膜结构的表面等离子共振高折射率传感器，包括石英波导和设置在所述石英波导上表面设置的多孔金属铝膜层以及入射光源和探测器。

根据本发明优选的，所述多孔金属铝膜层的厚度为10-100nm。

根据本发明优选的，所述石英波导的厚度为1-10mm。

根据本发明优选的，所述入射光源为入射波长400-750nm的LED光源。

根据本发明优选的，在所述多孔金属铝膜层上设置有直径为100-200nm的孔，所述孔的排布周期为200nm-400nm。

根据本发明优选的，所述多孔金属铝膜层的制备方法包括：

首先，在石英波导上表面旋涂光刻胶；

其次，采用电子束光刻将二维周期圆孔图样直接刻写到所述光刻胶上；

然后，用镀膜机镀上一层金属铝膜；

最后，去除光刻胶和附着于光刻胶上的圆形金属铝膜层，得到多孔金属铝膜层。

一种利用上述传感器的传感方法，包括步骤如下：

1)入射光源耦合进所述石英波导中，由于全反射效应，入射光在石英波导的束缚下传输；

2)入射光在到达多孔金属铝膜层后，入射光线经石英波导耦合射出，并在所述多孔金属铝膜层的表面形成等离子共振效应；

3)由于匹配条件的限制：不同入射光波长下，光的耦合效率不同；在特定光波长下耦合效率达到最大，形成光谱共振吸收峰；传感器所处不同环境折射率下，共振光波长随着环境折射率的增大向长波方向移动，从而实现对传感器所处环境折射率的测量。

本发明的优势：

本发明采用多孔金属层结构作为传感结构，显著增强了表面等离子共振强度，极大提高传感器的灵敏度。

本发明利用电子束光刻法制作多孔金属铝膜层传感结构，具有工艺简单，生产率高，成本低等优点。

本发明所述传感器可实现在不改变普通可见光光源的情况下，对高折射率段进行有效检测。

本发明所述多孔结构形成微纳传感结构，可同时应用于高折射率和低折射率监测的表面等离子共振生物传感器。

附图说明

图1是本发明所述传感器的原理示意图；

图2是传感器所处的待测环境介质的折射率为1.45时，本发明所述传感器的反射谱图；

图3本发明所述传感方法中，当入射光源的光波长为675nm时，在所述圆孔处的表面等离子体共振图样；

图4是本发明所述传感方法中，不同待测环境介质的折射率下的反射光谱图；

在图1中，1、入射光源；2、石英波导；3、多孔金属铝膜层；4、传感器所处的待测环境介质；5、金属铝膜层上周期排布的圆孔。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。

实施例1、

如图1所示。

一种基于多孔铝膜结构的表面等离子共振高折射率传感器，包括石英波导和设置在所述石英波导上表面设置的多孔金属铝膜层以及入射光源和探测器。

所述多孔金属铝膜层的厚度为10-100nm。

所述石英波导的厚度为1-10mm。

所述入射光源为入射波长400-750nm的LED光源。

在所述多孔金属铝膜层上设置有直径为100-200nm的孔，所述孔的排布周期为200nm-400nm。

实施例2、

如实施例1所述的多孔金属铝膜层的制备方法包括：

首先，在石英波导上表面旋涂光刻胶；

其次，采用电子束光刻将二维周期圆孔图样直接刻写到所述光刻胶上；

然后，用镀膜机镀上一层金属铝膜；

最后，去除光刻胶和附着于光刻胶上的圆形金属铝膜层，得到多孔金属铝膜层。

实施例3、

一种利用如实施例1所述传感器的传感方法，包括步骤如下：

1)入射光源耦合进所述石英波导中，由于全反射效应，入射光在石英波导的束缚下传输；

2)入射光在到达多孔金属铝膜层后，入射光线经石英波导耦合射出，并在所述多孔金属铝膜层的表面形成等离子共振效应；

3)由于匹配条件的限制：不同入射光波长下，光的耦合效率不同；在特定光波长下耦合效率达到最大，形成光谱共振吸收峰；传感器所处不同环境折射率下，共振光波长随着环境折射率的增大向长波方向移动，从而实现对传感器所处环境折射率的测量。

图2是当待测环境介质的折射率1.45时，传感器的反射谱，由图3可以看出在波长为675nm处出现了尖锐的凹谷，因此在此波长上产生了强烈的表面等离子共振现象。

图3是本发明所述传感方法中，在波长为675nm的入射光源时，圆孔处的表面等离子体共振图样。可以看出，偏振方向平行于x轴的平面波垂直入射到圆孔上。由传统表面等离激元的理论可知，只有电场方向垂直于金属-介质分界面的TM模才能激发表面出表面等离激元从而产生SPR现象。在圆的上下两侧，由于其切向平行入射光场的偏振方向，因此不能够激发等离子震荡。而在圆孔的左右两侧，其切向垂直于入射光场的偏振方向，因此可以激发等离子震荡，与理论相吻合。

图4是本发明所述传感方法中，不同待测环境介质折射率下的反射光谱图。可以看出，随着折射率的增大，共振峰向长波方向移动。与传统的表面等离子共振器件不同，此结构中产生的共振峰有两条。当折射率由1.3变化到1.6时，共振波长由628nm移动到733nm,传感器的灵敏度为350nm/RIU,此共振峰为传统表面等离子共振产生的共振峰，共振深度较深，被广泛应用于折射率检测，生物传感等领域。当折射率继续增大时,此共振波长便移动到可见光波段之外。本文设计的基于多孔的表面等离子共振高折射率传感器可以有效的解决这个问题，当折射率继续增大时，透射曲线将出现另一组共振峰，原因可能归结于多孔铝膜结构中支持的为表面等离子波。当折射率从1.7变化到2.3时，共振波长由582nm移动到741nm,传感器的灵敏度为265nm/RIU。可在不改变普通可见光光源的情况下，在高折射率检测场合得到重要应用。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种基于多孔铝膜结构的表面等离子共振高折射率传感器，其特征在于，所述传感器包括石英波导和设置在所述石英波导上表面设置的多孔金属铝膜层以及入射光源和探测器。

2.如权利要求1所述的一种基于多孔铝膜结构的表面等离子共振高折射率传感器，其特征在于，所述多孔金属铝膜层的厚度为10-100nm。

3.如权利要求1所述的一种基于多孔铝膜结构的表面等离子共振高折射率传感器，其特征在于，所述石英波导的厚度为1-10mm。

4.如权利要求1所述的一种基于多孔铝膜结构的表面等离子共振高折射率传感器，其特征在于，所述入射光源为入射波长400-750nm的LED光源。

5.如权利要求1所述的一种基于多孔铝膜结构的表面等离子共振高折射率传感器，其特征在于，在所述多孔金属铝膜层上设置有直径为100-200nm的孔，所述孔的排布周期为200nm-400nm。

6.如权利要求1所述的一种基于多孔铝膜结构的表面等离子共振高折射率传感器，其特征在于，所述多孔金属铝膜层的制备方法包括：

首先，在石英波导上表面旋涂光刻胶，；

其次，采用电子束光刻将二维周期圆孔图样直接刻写到所述光刻胶上；

然后，用镀膜机镀上一层金属铝膜；

最后，去除光刻胶和附着于光刻胶上的圆形金属铝膜层，得到多孔金属铝膜层。

7.一种利用如权利要求1-5任意一项所述传感器的传感方法，其特征在于，该传感方法包括步骤如下：

1)入射光源耦合进所述石英波导中，由于全反射效应，入射光在石英波导的束缚下传输；

2)入射光在到达多孔金属铝膜层后，入射光线经石英波导耦合射出，并在所述多孔金属铝膜层的表面形成等离子共振效应；

3)由于匹配条件的限制：不同入射光波长下，光的耦合效率不同；在特定光波长下耦合效率达到最大，形成光谱共振吸收峰；传感器所处不同环境折射率下，共振光波长随着环境折射率的增大向长波方向移动，从而实现对传感器所处环境折射率的测量。