CN107478597B - 基于双透射峰的金属矩形狭缝阵列结构等离子光纤传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双透射峰的金属矩形狭缝阵列结构等离子光纤传感器，包括金属薄膜以及开设在金属薄膜上的周期矩形狭缝阵列结构，单个周期矩形狭缝阵列结构为在金属薄膜中心处开设一个纵向矩形狭缝，在矩形狭缝一侧的上下端面处分别开设一个横向矩形狭缝，横向与纵向矩形狭缝的上下界面相互平齐，矩形狭缝宽度相等相互连通并贯穿金属膜上下表面形成统一的整体狭缝结构。本发明的传感器结构在近红外频段内具有高品质因数高透射率的双透射峰特性，并且通过修改相关结构参数可以达到调整双透射峰频谱位置与双透射峰间频谱间距的目的，从而可以实现利用率高、适用范围广、检测精度高、易于加工的等离子光纤传感器。
Description
技术领域
本发明涉及微纳光电子技术领域，具体涉及一种基于双透射峰的金属矩形狭缝阵列结构等离子光纤传感器。
背景技术
表面等离激元是在金属-电介质表面上存在的一种特殊的电磁波模式，是在入射光的激发下金属表面的自由电子发生集体振荡所产生的。这种特殊的电磁波沿着金属表面的方向传播，并在垂直于金属表面的方向上呈指数衰减，由于其独特的表面波特性，它能够将光波约束在空间尺寸远小于其自由空间波长的区域。
光学异常透射特性表现为：当光入射到具有亚波长周期孔阵列的金属薄膜时，光的透射效率得到了极大的增强，突破了传统孔径衍射理论的限制。自1998年Ebbesen等人阐述这种EOT现象以来，关于此方面的研究得到了广泛的关注，并在许多方面显现出极其广阔的应用前景，比如生物传感、光学滤波器、纳米光刻、新型光源和光学存储等，并由此产生了一些与表面等离子激元相关的光学器件。
研究发现通过改变孔阵列结构的周期、金膜厚度、孔的形状、金属材料、光入射角度等参数，可以有效调节透射峰的位置，以及透射率的大小。随着科技的不断发展，传感器在生物、化学、医疗、食品等领域有着广泛的应用。但传统的传感器由于受体积、稳定性及精确度等性能的限制，不能很好的满足实际需求，而基于光纤的等离子光学传感器因其体积小、功耗低、可靠性高、易于集成等一系列的优点，引起了越来越多人的关注。但现有基于光纤的等离子光学传感器一般只有一个单透射峰，这就导致其应用范围有限以及测量精度不高等问题。
发明内容
本发明所要解决的是现有基于光纤的等离子光学传感器只有一个单透射峰，而导致其应用范围有限以及测量精度不高的问题，提供一种基于双透射峰的金属矩形狭缝阵列结构等离子光纤传感器。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
基于双透射峰的金属矩形狭缝阵列结构等离子光纤传感器，包括光纤以及设置在光纤端面上的传感体，所述传感体由金属膜和多个狭缝结构单元组成；这些狭缝结构单元贯通开设在金属膜上，并在金属膜上呈周期性排布；待测介质填充在狭缝结构单元内；每个狭缝结构单元均由贯通金属膜上下表面的上方横向矩形狭缝、下方横向矩形狭缝和纵向矩形狭缝组成；上方横向矩形狭缝的一端与纵向矩形狭缝的上端相连通；下方横向矩形狭缝的一端与纵向矩形狭缝的下端相连通；上方横向矩形狭缝和下方横向矩形狭缝位于纵向矩形狭缝的同一侧；上方横向矩形狭缝和下方横向矩形狭缝平行，且均与纵向矩形狭缝垂直。
上述方案中，所有狭缝结构单元均完全一致。
上述方案中，上方横向矩形狭缝、下方横向矩形狭缝和纵向矩形狭缝的宽度相等。
上述方案中，上方横向矩形狭缝与下方横向矩形狭缝长度相等或不相等。
上述方案中，所有狭缝结构单元在金属膜上呈矩阵式周期排布。
上述方案中，金属膜的表面形状和尺寸与光纤的端面的形状和尺寸完全一致。
上述方案中，金属膜的材料为金。
上述方案中，金属膜的厚度范围为200nm～350nm。
上述方案中，待测介质的折射率范围为1.0～1.6。
与现有技术相比，本发明具体如下特点：
1、通过多狭缝的相互耦合，本发明所提出的传感器具有高品质因数的双透射峰频谱，基于其双透射峰特性，根据双透射峰对不同折射率的敏感度不同，可使单个传感器测量不同折射率范围的介质，大大提高了传感器的测量范围，提高了传感器利用率。
2、本发明基于其双透射峰特性，利用双透射峰对同一折射率的敏感性，可使双透射峰的传感结果进行相互弥补修正，进而减小误差，大大提高了检测精确度。
3、在制作本发明的传感器时，可通过改变金属膜厚度、狭缝宽度、狭缝长度等参数，使传感器的透射峰频谱位置具有可选择性，进而可制作针对特定检测范围的传感器。
附图说明
图1为本发明的三维结构示意图。
图2为本发明的1个狭缝结构单元的平面二维结构示意图。
图3为本发明在上方横向狭缝长度变化时的透射率曲线图。
图4为本发明在上方和下方横向狭缝长度同步变化时的透射率曲线图。
图5为本发明在纵向狭缝长度变化时的透射率曲线图。
图6为本发明在狭缝宽度变化时的透射率曲线图。
图7为本发明在金属膜厚度变化时的透射率曲线图。
图8为待测介质折射率与本发明的透射率曲线关系图。
图中标号为：1、金属膜，2、上方横向狭缝，3、纵向狭缝，4、下方横向狭缝。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，实例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“中”、“左”“右”、“前”、“后”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向仅是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
一种基于双透射峰的金属矩形狭缝阵列结构等离子光纤传感器，由光纤以及设在光纤端面的传感体组成。其中传感体如图1所示，由金属膜1和多个狭缝结构单元组成。本发明的生产方式是首先在光纤的端面上先镀金属膜1，然后在金属膜1上刻蚀出狭缝阵列结构。
金属膜1的表面形状和尺寸与光纤的端面的形状和尺寸完全一致。金属膜1的厚度范围为200nm～350nm。金属膜1可以采用金属材料制成，如金、银、铜等金属材料制成，但为了能够获得更好的传感性能，本发明的金属膜1的材料为金。
所有狭缝结构单元贯通开设在金属膜1上，并在金属膜1上呈周期性排布。所述狭缝结构单元在金属膜1上可以呈矩阵、环形或其他周期性排布方式，但在本实施例中，所有狭缝结构单元在金属膜1上呈矩阵式周期排布。狭缝结构单元的数量根据金属膜1(即光纤的端面)的尺寸和单个狭缝结构单元的周期大小确定，以狭缝结构单元尽可能地覆盖完金属膜1(即光纤的端面)为准。
每个狭缝结构单元的形状相一致。每个狭缝结构单元均由上方横向矩形狭缝、下方横向矩形狭缝和纵向矩形狭缝组成。上方横向矩形狭缝、下方横向矩形狭缝和纵向矩形狭缝均贯通金属膜1的上下表面。上方横向矩形狭缝的一端与纵向矩形狭缝的上端相连通，且上方横向矩形狭缝的上界面与纵向狭缝3的上端面完全平齐。下方横向矩形狭缝的一端与纵向矩形狭缝的下端相连通，且下方横向矩形狭缝的下界面与纵向狭缝3的上端面完全平齐。上方横向矩形狭缝和下方横向矩形狭缝位于纵向矩形狭缝的同一侧。上方横向矩形狭缝和下方横向矩形狭缝平行，且均与纵向矩形狭缝垂直。每个狭缝结构单元的上方横向矩形狭缝、纵向矩形狭缝和下方横向矩形狭缝依次相接，并连通成一个整体的倒U形狭缝。
每个狭缝结构单元的尺寸相一致。每个狭缝结构单元的周期大小为边长P是500nm的正方形。为加工方便，每个狭缝结构单元的上方横向矩形狭缝、下方横向矩形狭缝和纵向矩形狭缝的宽度d相等，其优选宽度d为30nm～90nm。纵向狭缝3的长度Lc范围为200nm～425nm。上方横向矩形狭缝的长度La与下方横向矩形狭缝的长度Lb的范围为0nm～150nm。每个狭缝结构单元的上方横向矩形狭缝的长度La与下方横向矩形狭缝的长度Lb相等或不相等。在本实施例中，上方横向矩形狭缝的长度La小于下方横向矩形狭缝的长度Lb。
为适用于不同的使用环境以及检测范围，可以通过改变传感器的相关参数来调整单个透射峰的频谱位置以及双透射峰之间的频谱距离，本发明中传感器的主要工作频段为近红外频段，各参数的改变可以是单个参数的改变也可以是多个参数的共同改变，具体可调整参数包括：上方横向狭缝2长度La、下方横向狭缝4长度Lb、纵向狭缝3长度Lc、狭缝宽度d以及金属膜1厚度H。
如图3所示，为本发明在上方横向狭缝2采用不同的狭缝长度La时的透射率变化曲线。图中横坐标为入射平面光的波长，纵坐标为透射率，由图中四条透射曲线可以看到，当La依次取值50nm、100nm、150nm、200nm时，双透射峰的频谱位置都向长波长方向进行了移动，即进行了红移，第一个透射峰位置移动很小，第二个透射峰位置移动相对较大，即双透射峰在红移的同时双峰间的频谱距离也进行了展宽。由此可知，调节狭缝长度La可以有效调节透射峰的位置。
如图4所示，为本发明在上方横向狭缝2和下方横向狭缝4采用不同的狭缝长度La、Lb时的透射率变化曲线。图中的狭缝长度La和Lb采用同步变化的方式，当两个横向狭缝的长度同步依次取值0nm、50nm、100nm、150nm时，双透射峰同时进行了红移，且双峰频谱距离进行了展宽。相对比图3中的红移和展宽幅度来说，图4中的变化相对更大，由此可知，同时改变两个参数一样可以调整透射峰位置，并且效果更大。
如图5所示，为本发明在纵向狭缝3采用不同狭缝长度Lc时的透射率变化曲线。图中Lc依次取值200nm、275nm、350nm、425nm时，双透射峰在红移和展宽的同时，透射率也不断提高，当Lc＝200nm时，最大透射率只有74.7％，而当Lc＝425nm时，最大透射率达到了92.3％。而且，与此同时第二透射峰也进行了展宽，因此可以根据不同的应用需求选取不同的Lc参数。
如图6所示，为本发明在采用不同狭缝宽度d时的透射率变化曲线。图中d依次取值30nm、50nm、70nm、90nm时，双透射峰同时向短波长方向进行了不同程度的移动，即进行了蓝移，同时透射率也相对有所提高。狭缝宽度d的增加所引发的效应与狭缝长度的增加所引起的效应是相反的，因此可以结合二者的不同效应进行更有效地调节透射峰位置。
如图7所示，为本发明在采用不同金属膜1厚度H是透射率的变化曲线。图中H依次取值200nm、250nm、300nm、350nm时，双透射峰进行了不同程度的红移，第一透射峰红移较大，第二透射峰红移较小，因此双透射峰间的频谱距离进行了缩小。同时，第二透射峰的透射强度也随之从82.8％到91.2％逐渐增强。因此，金属膜1厚度的变化主要调节了第一透射峰的位置，结合上述其他参数调节方案，可以在近红外频段内获得任意位置的双透射峰频谱位置和任意大小的双透射峰频谱距离。
使用时，将本发明的传感体部分浸入到待测介质中，并让待测介质填充到狭缝结构单元中，该待测介质可以为各种气体或液体，其折射率范围为1.0～1.6。如利用本发明检测空气中是否含有某有毒气体A时，可将本发明置于待测气体(即待测介质)区域让待测气体充分填充到传感器狭缝结构中，测量此时气体的透射频谱。已知不含有毒气体的空气透射峰分别位于892nm和1600nm，含有毒气体的空气透射峰分别位于1001nm和1865nm，将上述待测气体的透射频谱与已知频谱对比，若待测气体频谱与含有毒气体的透射谱相同或相似则其含有毒气体A成分，反之则不含有毒气体A成分。
由于本发明的狭缝结构单元包括1个纵向狭缝3和2个横向狭缝，平面光从光纤中透过3个狭缝中的填充的待测介质透射而出，因为3个狭缝会分别激发表面等离激元并发生相互耦合作用，导致透射谱中的透射峰会根据填充介质折射率的变化而变化，从而可以通过检测透射光的频谱确定狭缝中填充介质的折射率参数。也就是说，当折射率发生变化时，双透射峰的频谱均发生移动，因此可以通过检测单个或者两个透射峰的频谱变化情况来判断待测介质的折射率参数。图8为待测介质折射率与本发明的透射率曲线关系图，图中狭缝内填充的待测介质的折射率n分别为1.0、1.2、1.4、1.6时，双透射峰的频谱均进行了较大幅度的红移，且第二透射谱幅度大于第一透射谱，因此双峰之间进行了展宽。实际应用时，针对不同待测介质对不同波长的敏感程度不同，可以选用双透射峰中的一个进行传感，因此本发明中的双透射峰效应大大提高了传感器的检测范围。与此同时，对于同一待测介质，也可以同时结合双透射峰的不同频谱变化情况对检测结果进行修正，因此本发明中的双透射峰效应大大提高了检测精确度。
本发明的传感器结构在近红外频段内具有高品质因数高透射率的双透射峰特性，并且通过修改相关结构参数可以达到调整双透射峰频谱位置与双透射峰间频谱间距的目的，从而可以实现利用率高、适用范围广、检测精度高、易于加工的等离子光纤传感器。
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。
Claims (9)
1.基于双透射峰的金属矩形狭缝阵列结构等离子光纤传感器，包括光纤以及设置在光纤端面上的传感体，其特征在于：所述传感体由金属膜(1)和多个狭缝结构单元组成；这些狭缝结构单元贯通开设在金属膜(1)上，并在金属膜(1)上呈周期性排布；待测介质填充在狭缝结构单元内；
每个狭缝结构单元均由贯通金属膜(1)上下表面的上方横向矩形狭缝、下方横向矩形狭缝和纵向矩形狭缝组成；上方横向矩形狭缝的一端与纵向矩形狭缝的上端相连通；下方横向矩形狭缝的一端与纵向矩形狭缝的下端相连通；上方横向矩形狭缝和下方横向矩形狭缝位于纵向矩形狭缝的同一侧；上方横向矩形狭缝和下方横向矩形狭缝平行，且均与纵向矩形狭缝垂直。
2.根据权利要求1所述的基于双透射峰的金属矩形狭缝阵列结构等离子光纤传感器，其特征在于：所有狭缝结构单元均完全一致。
3.根据权利要求1或2所述的基于双透射峰的金属矩形狭缝阵列结构等离子光纤传感器，其特征在于：上方横向矩形狭缝、下方横向矩形狭缝和纵向矩形狭缝的宽度相等。
4.根据权利要求1或2所述的基于双透射峰的金属矩形狭缝阵列结构等离子光纤传感器，其特征在于：上方横向矩形狭缝与下方横向矩形狭缝长度相等或不相等。
5.根据权利要求1或2所述的基于双透射峰的金属矩形狭缝阵列结构等离子光纤传感器，其特征在于：所有狭缝结构单元在金属膜(1)上呈矩阵式周期排布。
6.根据权利要求1所述的基于双透射峰的金属矩形狭缝阵列结构等离子光纤传感器，其特征在于：金属膜(1)的表面形状和尺寸与光纤的端面的形状和尺寸完全一致。
7.根据权利要求1或6所述的基于双透射峰的金属矩形狭缝阵列结构等离子光纤传感器，其特征在于：金属膜(1)的材料为金。
8.根据权利要求1或6所述的基于双透射峰的金属矩形狭缝阵列结构等离子光纤传感器，其特征在于：金属膜(1)的厚度范围为200nm～350nm。
9.根据权利要求1所述的基于双透射峰的金属矩形狭缝阵列结构等离子光纤传感器，其特征在于：待测介质的折射率范围为1.0～1.6。
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2017
- 2017-08-21 CN CN201710719825.2A patent/CN107478597B/zh active Active
Patent Citations (4)
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