CN107589091A - 一种近红外波段超材料折射率传感器 - Google Patents

一种近红外波段超材料折射率传感器 Download PDF

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蒋立勇
张伟
梁爽
蒋剑莉
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Abstract

本发明公开了一种近红外波段超材料折射率传感器，包括二氧化硅基底，二氧化硅基底上镀有金膜，金膜上设置由双开口空气谐振环单元构成的阵列，阵列按正方晶格排列，双开口空气谐振环单元在x方向上的周期px与在y方向上的周期py相同，双开口空气谐振环单元为边长为l的正方形，空气谐振环的宽度为w，双开口空气谐振环单元沿x方向的两条边上设有两个开口且两个开口关于单元的中心点中心对称，开口的中心线到双开口空气谐振环单元中心的距离为Δx，开口的宽度为g。本发明提出的近红外波段超材料折射率传感器在近红外波段能够实现接近1000nm/RIU的传感灵敏度，可作为一种液体或气体传感器应用到生物医学、环保检测、工业生产等行业。

Description

一种近红外波段超材料折射率传感器
技术领域
本发明属于光学传感器领域，具体涉及一种近红外波段超材料折射率传感器。
背景技术
超材料由亚波长人工结构单元作为基本单元构成，单元间隔为微米量级，将人工原子和人工分子单元通过不同的结合和排列，可设计制造出各种物理特性的超材料。超材料的特征可归纳为以下三个方面。一是超材料是人工合成材料；二是超材料具有自然界材料所不具备的超常物理性质，三是超材料的性质不是由其基本构成材料决定，而是取决于人工结构，可人为设计、任意控制。
近几年，超材料折射率传感器得到了广泛的研究，超材料折射率传感器基于金属表面等离子体共振将光局域在亚波长尺度范围内和环境物质进行作用，可以非常敏感的探测到环境折射率的变化。超材料折射率传感器还具有集成度高，重复率好等优点。在众多的超材料折射率传感器类型中，开口谐振环(SRR)超材料是研究最为广泛的类型之一。研究发现，通过对谐振环开口数目、开口尺寸、开口位置、开口对称度等参数的调节，可以实现电偶极子、Fano共振、磁共振等多种类型的高品质因子共振模式自由调节，从而实现高传感灵敏度和低探测极限的传感应用。现有的开口谐振环超材料研究报道主要集中在微波波段和太赫兹波段，而在近红外波段的研究较少。近红外波段的超材料折射率传感器比可见光波段的传感器灵敏度高、加工容易，比微波波段和太赫兹波段的传感器容易集成、成本低，在生物医学、环保检测、工业生产等行业具有广泛的应用价值。
现有的近红外波段开口谐振环超材料技术方案还存在一些不足。例如文献一(P.C.Wu,G.Sun,W.T.Chen,et al.,Vertical split-ring resonator basednanoplasmonic sensor.Applied Physics Letters,2014,105(3),033105.)所公开的开口谐振环超材料的折射率传感器的实验灵敏度值约为600nm/RIU，还有进一步提升的空间。文献二(S.Y.Xiao,T.Wang,Y.B.Liu,et al.,An ultrasensitive and multispectralrefractive index sensor design based on quad-supercellmetamaterials.plasmonics,2017,12(1),185-191.)所公开的开口谐振环超材料的折射率传感器的理论灵敏度值约为1000nm/RIU，但是尚未有实验数据证实。
发明内容
本发明的目的在于提出一种近红外波段超材料折射率传感器。
实现本发明目的的技术方案为：一种近红外波段超材料折射率传感器，包括二氧化硅基底，二氧化硅基底上镀有金膜1，金膜1上设置由双开口空气谐振环单元2构成的阵列，阵列按正方晶格排列，双开口空气谐振环单元2在x方向上的周期px与在y方向上的周期py相同，双开口空气谐振环单元2为边长为l的正方形，空气谐振环的宽度为w，双开口空气谐振环单元2沿x方向的两条边上设有两个开口且两个开口关于单元的中心点中心对称，开口的中心线到双开口空气谐振环单元2中心的距离为Δx，开口的宽度为g。
本发明与现有技术相比的有益效果为：本发明提出的近红外波段超材料折射率传感器基于反结构的双开口谐振环单元，大大提高了折射率传感器的灵敏度，其实验灵敏度约为1000nm/RIU。
附图说明
图1是本发明一种近红外波段超材料折射率传感器结构示意图。
图2是本发明一种近红外波段超材料折射率传感器实施例样品扫描电镜图。
图3是本发明一种近红外波段超材料折射率传感器实施例传感性能实验测试结果图。
图4是本发明一种近红外波段超材料折射率传感器实施例传感性能仿真模拟结果图。
具体实施方式
本发明提出一种近红外波段超材料折射率传感器。
如图1所示，实现本发明目的的技术解决方案为：一种近红外波段超材料折射率传感器，包括金膜1和空气谐振环阵列2，空气谐振环单元是由正方形谐振环和中心对称双开口缺陷构成，谐振环单元按照正方晶格排列。谐振环单元在x和y方向上的周期分别为px和py。正方形谐振环的边长为l，宽度为w。中心对称双开口缺陷离中心位置距离为Δx，缺陷宽度为g。金膜[1]厚度为50nm。开口中心线到谐振环单元y中心的距离Δx的取值范围为[100nm,200nm]。开口的宽度g的取值范围为[60nm,100nm]。谐振环宽度w的取值范围为[30nm,50nm]。谐振环单元在x方向上的周期px与在y方向上的周期py的取值范围均为[600nm,650nm]。谐振环单元边长l的取值范围为[500nm,600nm]。
本发明通过设计空气谐振环单元的结构参数和周期可以调节超材料折射率传感器的工作波长、谐振效率和传感灵敏度。
下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述。
实施例
如图2所示，一种近红外波段超材料折射率传感器，包括二氧化硅基底，二氧化硅基底上镀有金膜1，金膜1上设置由双开口空气谐振环单元2构成的阵列，金膜的厚度为50nm，所述阵列按正方晶格排列，所述双开口空气谐振环单元2在x方向上的周期px与在y方向上的周期py相同，均为625nm，所述双开口空气谐振环单元2为边长为550nm的正方形，所述空气谐振环的宽度为40nm，所述双开口空气谐振环单元2沿x方向的两条边上设有两个开口且两个开口关于单元的中心点中心对称，所述开口的中心线到双开口空气谐振环单元2中心的距离为150nm，开口的宽度为80nm。
本发明的实施效果通过以下传感性能仿真和实验结果进一步说明：
以实施例结构为例，图3给出了实施例样品在空气和去离子水环境下的仿真反射谱。从反射谱中可以看出，样品在1000nm到2000nm范围内出现了两个主要的反射谷，这是由谐振环单元的金属表面等离子体基模和高阶模共振吸收引起的，其位置由谐振环单元周期以及中心对称双开口的中心位置和宽度决定。通过主要反射谷的位置移动可以计算出实施例结构的折射率传感灵敏度为1142nm/RIU。图4给出了实施例样品在空气和去离子水环境下的实验反射谱。实验结果和理论仿真结果一致，在1000nm到2000nm范围内出现了双反射谷，实验测得实施例结构的折射率传感灵敏度为958nm/RIU。
上述仿真和实验结果验证了本发明提出的一种近红外波段超材料折射率传感器的可行性。可见，本发明提出的一种近红外波段超材料折射率传感器结构简单，灵敏度可达到1000nm/RIU。

Claims (7)

1.一种近红外波段超材料折射率传感器，其特征在于，包括二氧化硅基底，二氧化硅基底上镀有金膜[1]，金膜[1]上设置由双开口空气谐振环单元[2]构成的阵列，所述阵列按正方晶格排列，所述双开口空气谐振环单元[2]在x方向上的周期px与在y方向上的周期py相同，所述双开口空气谐振环单元[2]为边长为l的正方形，所述空气谐振环的宽度为w，所述双开口空气谐振环单元[2]沿x方向的两条边上设有两个开口且两个开口关于单元的中心点中心对称，所述开口的中心线到双开口空气谐振环单元[2]中心的距离为Δx，开口的宽度为g。
2.根据权利要求1所述的一种近红外波段超材料折射率传感器，其特征在于，所述金膜[1]厚度为50nm。
3.根据权利要求1所述的一种近红外波段超材料折射率传感器，其特征在于，开口中心线到谐振环单元y中心的距离Δx的取值范围为[100nm,200nm]。
4.根据权利要求1所述的一种近红外波段超材料折射率传感器，其特征在于，所述开口的宽度g的取值范围为[60nm,100nm]。
5.根据权利要求1所述的一种近红外波段超材料折射率传感器，其特征在于，所述谐振环宽度w的取值范围为[30nm,50nm]。
6.根据权利要求1所述的一种近红外波段超材料折射率传感器，其特征在于，所述谐振环单元在x方向上的周期px与在y方向上的周期py的取值范围均为[600nm,650nm]。
7.根据权利要求1所述的一种近红外波段超材料折射率传感器，其特征在于，谐振环单元边长l的取值范围为[500nm,600nm]。
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