CN107478249B - 可实现Fano共振的扇形纳米传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可实现Fano共振的扇形纳米传感器，包括基底和排布在所述基底上的纳米结构，所述纳米结构包括：腔体及位于所述腔体两侧相对设置的输入波导和输出波导；位于所述腔体内的扇瓣聚合体，所述扇瓣聚合体包括多个对称分布的扇瓣，并且所有扇瓣的内侧边沿均分布在同一圆周上，所有扇瓣的外侧边沿均分布在另外同一圆周上；以及位于所述扇瓣聚合体内的纳米盘，所述纳米盘的质心与电磁波信号输入/输出的方向之间的偏移距离可调，从而得到不同透射率的传感器。本发明利用金属表面等离激元效应的原理设计的可实现Fano共振的扇形纳米传感器，结构简单、制作方便、灵敏度高、调节范围广，适用于化学、医疗、环境等领域的检测和监控。
Description
技术领域
本发明涉及纳米传感器技术领域，尤其涉及一种可实现Fano共振的扇形纳米传感器。
背景技术
Fano共振具有独特的谱线形状、丰富多变的耦合模式，通常伴随着一个异常尖锐的谱峰。Fano共振效应是U.Fano在1961年研究原子分子光谱中发现的一种非对称线型，这是由于分离态能级与连续态能带相互重叠，出现了量子干涉，在确定的光学频率出现了零吸收现象，造成光谱呈非对称线型。Fano共振通常伴随着异常尖锐的谱峰，非常适用于光学效应的调制，调制后的光学谱线一般呈现变化剧烈、突变明显的特点，而且对结构布局、周围介质折射率、入射波长等外界参量变化相当敏感，因此在传感、探测技术领域具有重要的应用价值。
随着应用和技术需求，多次Fano共振技术在金属表面等离激元结构研究中越来越受到重视。研究表明，人们对表面等离激元中的Fano共振具有一定的研究基础，但是如何对多次Fano共振(特别是三次以上Fano共振)进行有效调节的探讨却少见报道，这方面的研究将为应用范围更广、性能更高的金属表面等离激元纳米传感器的开发提供极大可能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可实现Fano共振的扇形纳米传感器，其结构简单、制作方便。
为达此目的，本发明提供的一种可实现Fano共振的扇形纳米传感器，其特征在于，所述纳米结构包括：腔体及位于所述腔体两侧相对设置的输入波导和输出波导；位于所述腔体内的扇瓣聚合体，所述扇瓣聚合体包括多个对称分布的扇瓣，并且所有扇瓣的内侧边沿均分布在同一圆周上，所有扇瓣的外侧边沿均分布在另外同一圆周上；以及位于所述扇瓣聚合体内的纳米盘，所述纳米盘的质心与电磁波信号输入/输出的方向之间的偏移距离可调，从而得到不同透射率的传感器。
进一步地，所述扇瓣聚合体的底部或者所述纳米盘的上方设置有滑动机构，使得所述纳米盘的质心相对于电磁波信号输入/输出的方向可移动。
进一步地，所述腔体的横截面形状为圆形或多边形。
进一步地，所述扇瓣聚合体包括至少4个对称分布的扇瓣。
进一步地，所述纳米盘的横截面形状为圆形或多边形。
进一步地，所述基底的材料为玻璃，所述纳米结构的材料为贵金属，所述腔体、输入波导和输出波导的内部填充有低折射率的气体或液体。
本发明的有益技术效果在于：
(1)该纳米传感器能够通过改变中间纳米盘的垂直位置，实现对结构的非对称性进行调节，从而能够对多次Fano共振进行灵活调制，可以有效提升纳米传感器的应用范围；
(2)该结构具有对折射率变化极具敏感的特点，能够增强纳米传感器在化学、医疗、环境等方面的探测和监控的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种可实现Fano共振的扇形纳米传感器的三维结构示意图；
图2为图1所示的纳米结构的横截面的示意图；
图3为通过改变纳米盘的位置(即纳米盘的质心与图2中的X轴之间的偏移距离h＝0nm、12nm、24nm、32nm)，计算得到传感器在不同情况下的传输特性曲线；
图4为当纳米盘的质心与X轴之间的偏移距离h为32nm时，并且入射波长为563.19nm，模拟得到传感器的磁场(Hz)分布图；
图5为当纳米盘的质心与X轴之间的偏移距离h为32nm时，并且入射波长为781.65nm，模拟得到传感器的磁场(Hz)分布图；
图6为当纳米盘的质心与X轴之间的偏移距离h为32nm时，并且入射波长为984.89nm，模拟得到传感器的磁场(Hz)分布图；
图7为当纳米盘的质心与X轴之间的偏移距离h为32nm时，通过改变介质材料的折射率n，计算得到不同情况下(n＝1.00、1.03、1.05、1.07、1.09、1.10)传感器的传输特性曲线。
图8为当纳米盘的质心与X轴之间的偏移距离h为32nm时，在介质材料折射率n＝1.00对应的传输曲线中波长为563.19nm(第一波峰)、781.65nm(第二波峰)、984.89nm(第三波峰)三个共振峰随着n变化的波长变化量。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述，应当理解，此处所描述的内容仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供的一种可实现Fano共振的扇形纳米传感器包括基底10和排布在基底10上的纳米结构20。其中，基底10的材料为玻璃，纳米结构20的材料为贵金属，例如金或银。本实施例中以银为例进行说明。
如图2所示，纳米结构20包括由贵金属围成的波导-腔体-波导结构，还包括位于上述腔体中的扇瓣聚合体，以及位于上述扇瓣聚合体中心的单个纳米盘。
具体来说，波导-腔体-波导结构即为腔体22及位于腔体22两侧相对设置的输入波导21和输出波导23，输入波导21的端口对应输入端口24，输出波导23的端口对应输出端口25。以输入波导21或输出波导23的中心线所在方向为X轴，垂直于该中心线的方向为Y轴，则电磁波沿X轴方向输入/输出，如图2所示。腔体22、输入波导21和输出波导23的内部填充有低折射率的气体(例如，空气)或液体(例如，水或酒精)。腔体22的横截面形状为圆形或多边形，优选为圆形，如图2所示。其中，腔体22的半径为275nm，波导21和波导23的宽度均为50nm。需要说明的是，波导-腔体-波导结构的尺寸并不限于图示的尺寸，输入波导21和输出波导23也可以互换为输入波导23和输出波导21，可以根据具体的应用场合而定，此处不做限制。
扇瓣聚合体位于腔体22内，可以与腔体22同心设置，也可以不同心设置，此处不作限制。扇瓣聚合体包括多个对称分布的扇瓣26，对称分布的扇瓣26至少为4个，优选为6个，如图2所示，并且所有扇瓣26的内侧边沿均分布在同一圆周上，所有扇瓣的外侧边沿均分布在另外同一圆周上。本实施例中的6个扇瓣的内侧边沿均分布在半径为95nm的圆周上，6个扇瓣的外侧边沿均分布在半径为225nm的圆周上。需要说明的是，扇瓣聚合体的尺寸并不限于图示的尺寸，可以根据具体的应用场合而定，此处不做限制。
纳米盘27位于扇瓣聚合体内，其横截面形状为圆形或多边形，优选为圆形，如图2所示，本实施例中的纳米盘的半径为60nm。纳米盘27的质心与电磁波信号输入/输出的方向之间的偏移距离可调。具体来说，扇瓣聚合体的底部或者纳米盘27的上方设置有滑动机构，使得纳米盘27的质心相对于电磁波信号输入/输出的方向即图2中的X轴方向可移动。假设纳米盘27的质心与X轴方向之间的偏移距离为h，则通过滑动机构可以自由调节h的大小，从而可以得到不同透射率的传感器。
下面对所述纳米传感器的传输特性进行研究。
设置功率为P输入的电磁波信号从输入端口24入射，然后在输出端口25探测相应的电磁波信号，获得其功率为P输出。设定传感器的透射率为P输出/P输入。通过改变纳米盘的质心与电磁波信号输入/输出的方向之间的偏移距离h，可以计算得到在不同偏移距离h情况下对应的上述传感器的透射率，如图3所示。
在图3中，标记为方形、星形、上三角、下三角的曲线分别代表偏移距离h＝0nm、12nm、24nm、32nm情况下对应的纳米传感器透射率。由图3表明，对于特定的偏移距离h≠0，透射曲线中会出现新的Fano共振，并且随着偏移距离h的增大，图3中不同区域的Fano共振情况不同：在第一区域中(563.19nm-581.72nm)，当h≠0时会出现新的共振峰，并且当偏移距离为较小值h＝12nm时，在波长为563.19nm处出现单个共振峰，随着偏移距离的增大，如h＝24nm和h＝32nm时将会出现双重Fano共振峰，共振波长分别为563.19nm和581.72nm；在第二区域中(761.34-781.65nm)，当h≠0时会出现单个新的共振峰，并且随着偏移距离h的增大共振峰稍微出现红移现象；在第三区域中(933.67nm-984.89nm)，随着偏移距离h的增大，在933.67nm处的单个共振峰将会逐步演变成双重振峰，并且双重振峰的波长会出现红移现象。
以上结果说明，通过改变纳米盘的质心与电磁波信号输入/输出的方向之间的偏移距离h，可以有效调节多次Fano共振峰。
下面对上述结构的Fano共振传输效果进行检验，我们以偏移距离h＝32nm为例进行说明。
如图4所示，对应所述结构在工作波长563.19nm处的磁场Hz分布图，结构中呈现八阶模的模场分布。
如图5所示，对应所述结构在工作波长781.65nm处的磁场Hz分布图，结构中呈现六阶模的模场分布。
如图6所示，对应所述结构在工作波长984.89nm处的磁场Hz分布图，结构中呈现四阶模的模场分布。
进一步地，我们选取偏移距离h＝32nm为例，对所述传感器的探测灵敏度进行检验。通过变化传感器中介质材料的折射率(变化从1.00至1.10)，考察图3传输曲线中移动情况，计算结果如图7所示。在图7中标记为方块、星形、上三角、下三角、棱形、左三角、右三角的曲线分别代表n＝1.00、1.01、1.03、1.05、1.07、1.09、1.10等几种情况下传感器对应的透过率。由图7可以得出结论，Fano共振峰会随着折射率的增大出现红移，并且不同Fano共振峰的移动量不同。
在图8中，给出在不同介质材料折射率情况下，对应图7中n＝1.0情况下波长分别为563.19nm(第一波峰)、781.65nm(第二波峰)、984.89nm(第三波峰)三个Fano共振峰的波长变化量，由图7得出结果，其中第一、二、三共振峰对于折射率变化的灵敏度为540nm/RIU、750nm/RIU、980nm/RIU，其中第三共振峰的灵敏度最强。
本发明利用金属表面等离激元效应的原理设计的可实现Fano共振的扇形纳米传感器，结构简单、制作方便、灵敏度高、调节范围广，适用于化学、医疗、环境等领域的检测和监控。
以上所述的具体实施例，注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用的技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (8)
1.一种可实现Fano共振的扇形纳米传感器，包括基底(10)和排布在所述基底(10)上的纳米结构(20)，其特征在于，所述纳米结构(20)包括：
腔体(22)及位于所述腔体(22)两侧相对设置的输入波导(21)和输出波导(23)；
位于所述腔体(22)内的扇瓣聚合体，所述扇瓣聚合体包括多个对称分布的扇瓣(26)，并且所有所述扇瓣(26)的内侧边沿均分布在同一圆周上，所有所述扇瓣(26)的外侧边沿均分布在另外同一圆周上；以及
位于所述扇瓣聚合体内的纳米盘(27)，所述纳米盘(27)的质心与电磁波信号输入/输出的方向之间的偏移距离可调，从而得到不同透射率的传感器；
所述扇瓣聚合体的外侧边沿与所述腔体(22)的内壁间具有环形的第一缝隙，相邻的所述扇瓣(26)间具有第二缝隙，所述扇瓣聚合体的内侧边沿与所述纳米盘(27)间具有第三缝隙，所述第二缝隙连通于所述第一缝隙和所述第三缝隙。
2.根据权利要求1所述的扇形纳米传感器，其特征在于，所述扇瓣聚合体的底部或者所述纳米盘(27)的上方设置有滑动机构，使得所述纳米盘的质心相对于电磁波信号输入/输出的方向可移动。
3.根据权利要求1所述的扇形纳米传感器，其特征在于，所述腔体(22)的横截面形状为圆形或多边形。
4.根据权利要求1所述的扇形纳米传感器，其特征在于，所述扇瓣聚合体包括至少4个对称分布的扇瓣(26)。
5.根据权利要求1所述的扇形纳米传感器，其特征在于，所述纳米盘(27)的横截面形状为圆形或多边形。
6.根据权利要求1至5任一项所述的扇形纳米传感器，其特征在于，所述基底(10)的材料为玻璃。
7.根据权利要求1至5任一项所述的扇形纳米传感器，其特征在于，所述纳米结构(20)的材料为贵金属。
8.根据权利要求1至5任一项所述的扇形纳米传感器，其特征在于，所述腔体(22)、输入波导(21)和输出波导(23)的内部填充有低折射率的气体或液体。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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