CN107655834B - 一种基于表面等离激元共振单元的偏振传感器及传感方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于表面等离激元共振单元的偏振传感器及传感方法。该偏振传感器包括衬底和由表面等离激元共振单元构成的阵列，表面等离激元共振单元围绕阵列中心形成一圈或者多圈的同心圆；在同一个圆周上，等离激元共振单元的共振波长相同，且共振单元在360°的范围内均匀分布；对于多圈的同心圆阵列，从阵列内圈到外圈，等离激元共振单元的共振波长呈等差数列逐渐增大或减小。这种传感器通过成像设备来探测在单色偏振光照射下，传感器上等离激元共振单元阵列中发生共振的单元的位置，来实现入射光偏振方向的传感。本发明具有探测技术简单直观，灵敏度高且稳定性好，所需检测设备成本低等优点。

Description

一种基于表面等离激元共振单元的偏振传感器及传感方法
技术领域
本发明属于光学传感器领域，具体涉及一种基于表面等离激元共振单元的偏振传感器及其传感方法。
背景技术
手性化合物是指分子量、分子结构相同，但左右排列相反，如实物与其镜中的一对对映体化合物。近年来，人们发现化合物的一对对映体在生物体内的代谢特性，药理活性和毒性等存在显著的差异。例如：20世纪60年代一种称为反应停的手性药物(一种孕妇使用的镇定剂，已被禁用)上市后导致1.2万名婴儿的生理缺陷，因为反应停的对映体化合物具有致畸性。因此，在生物医药等领域，手性有机化合物分子的探测和分辨就显得尤为重要了。
通常手性物质的鉴别是通过旋光仪来实现的。它是通过探测线偏振单色光穿过一定光程和浓度的待测物质后，线偏振光偏振方向的变化方向和角度来实现手性物质的探测分析。旋光仪通常结构复杂，造价昂贵，且不易于携带，这就使得它无法在诸如在线环境监测，临床诊断等非标准分析实验室环境应用。因此，设计一种携带方便式的、操作容易的、高灵敏度的光学偏振探测设备在这些应用领域就显得十分必要了。
发明内容
鉴于以上现有技术的情况，本发明的目的在于提供一种基于表面等离激元共振单元的偏振传感器，该传感器的结构简单，可以通过简便的方法就能实现高灵敏度的偏振传感。本发明的另外一个目的是提供利用该传感器的传感方法，无需复杂的光谱设备和光路设计。
为实现上述目的，本发明偏振传感器采取的技术方案为：
一种基于表面等离激元共振单元的偏振传感器，包括衬底和由表面等离激元共振单元构成的阵列，表面等离激元共振单元围绕阵列中心形成一圈或者多圈的同心圆；在同一个圆周上，等离激元共振单元的共振波长相同，且共振单元在360°的范围内均匀分布；对于多圈的同心圆阵列，从阵列内圈到外圈，等离激元共振单元的共振波长呈等差数列逐渐增大或减小。
进一步地，所述表面等离激元共振单元为长方形或者椭圆形，其长轴方向沿同心圆的径向。共振单元采用凸块或者孔洞结构。
优选地，所述阵列的周期为50～10000纳米。所述表面等离激元共振单元的尺寸范围为10～10000纳米，厚度为10～1000纳米。所述阵列的材料为金属或者半导体。
本发明实现偏振传感的技术原理：本发明的传感器由于表面等离激元共振单元阵列的特殊对称设计，当在一定波长的线偏振单色光照射下，表面等离激元共振单元阵列与入射的偏振单色光发生共振的共振单元会在图像中呈现出较周围更亮或更暗的两个点，而这两个点之间的直线方向就是入射线偏振光的偏振方向。
本发明偏振传感器的制备方法包括以下步骤：
(1)利用薄膜沉积技术在平整衬底表面沉积一层纳米级厚度用于制备等离激元共振单元材料。薄膜沉积技术可以是电子束蒸发沉积，旋转涂覆技术，离子溅射薄膜沉积技术，原子层薄膜沉积技术，自组装技术等。
(2)再利用图案化技术在材料层上制备聚合物材料的特殊设计的纳米单元阵列图案。纳米图案化技术可以是电子束光刻技术，纳米压印技术，干涉光刻技术，相分离技术，自组装技术等。
(3)再利用刻蚀技术将聚合物材料的纳米单元阵列图案转移到下层材料层上，再用丙酮或氧气等离子体去除残余的聚合物层后，得到表面等离激元纳米共振单元阵列，形成本发明的偏振传感器。刻蚀技术可以是反应离子刻蚀技术，离子束刻蚀技术，等离子刻蚀技术，化学湿法刻蚀技术等。
本发明利用上述偏振传感器实现偏振传感的方法包括以下步骤：
(1)将待测定偏振状态的单色入射光照射在由表面等离激元共振单元构成的阵列上；
(2)利用成像设备采集阵列的图像，阵列中与入射的偏振单色光发生共振的共振单元会在图像中呈现出较周围更亮或更暗的两个位置；
(3)利用图像处理软件，精确定位步骤(2)中发生共振的两个共振单元的位置，并用直线连接这两个位置，得到的直线方向就是入射单色光的偏振方向。
进一步地，步骤(2)中，所述单色入射光的波长为300～1000纳米。步骤(3)中，所述成像设备为显微镜、显微摄像头、数码摄像头或数码相机。
本发明提供了一种基于表面等离激元共振单元的偏振传感器，与现有的偏振传感器相比具有的有益效果是：
(1)本发明的偏振传感器无需复杂光谱设备和光路系统，只需要图像采集设备和图像处理软件就可以实现对入射光偏振的探测，所需检测设备成本低。
(2)本发明的偏振传感器对入射光偏振的探测方式比较简单直观，只需要对传感器上的表面等离激元共振单元阵列进行显微成像和图像分析就可实现，不需要传统的旋光仪较为复杂的测试过程。
(3)本发明的偏振传感器还具有制备工艺简单成熟，制备成本低，制备效率高，传感器探测灵敏度高且稳定性好等优点，可广泛用于光学器件，食品安全，生化检测等多个领域。
附图说明
图1是本发明基于表面等离激元共振单元的偏振传感器结构示意图，其中1-表面等离激元共振单元阵列，2-平整衬底。
图2是本发明基于表面等离激元共振单元的偏振传感器传感原理示意图，其中3-与入射的单色偏振光发生共振而呈现出较周围更亮的两个位置，4-两位置的连接直线。
图3是本发明实施例由金纳米共振单元阵列构成的偏振传感器的扫描电子显微镜照片，(a)金纳米共振单元阵列整体形貌，(b)金纳米共振单元阵列细节放大图。
图4是本发明实施例由金纳米共振单元阵列构成的偏振传感器在波长780纳米，不同偏振方向的单色线偏振光下的显微照片；从左到右：偏振方向(双箭头)与竖直方向的夹角不断变大。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明：
本实施例的偏振传感器是在ITO玻片衬底上覆有由一系列长度不同的长方形金纳米条构成的等离激元共振单元阵列。金纳米条的宽度为50纳米，长度从中心向外围呈等差数列逐渐增大，每增加一圈，纳米条的长度增加1纳米，纳米条的数量增加6个并360°范围内均匀分布，阵列的周期是300纳米，中心一圈的金纳米条长度为80纳米，阵列最边缘一圈的金纳米条长度为200纳米，金纳米条的厚度为60纳米(如图1和图3所示)。
本实施例的偏振传感器的制备方法为：
(1)在洁净的透明ITO玻片上用电子束蒸发镀膜沉积一层60纳米厚度的金，再在金层上用旋转涂覆一层70纳米厚度的负性电子束光刻胶。
(2)利用电子束光刻设备制备出上述的中心到边缘渐变的光刻胶纳米条阵列图案。
(3)利用氩离子束刻蚀设备将光刻胶纳米条阵列图案传递到下层金层上，得到相应的金纳米条阵列图案。
(4)利用氧气等离子体去除多余的负性电子束光刻胶，即得到本实施例的激于表面等离激元共振单元的偏振传感器。
本实施例的偏振传感器实现入射光偏振传感的具体方法为：
(1)将待测定偏振状态的波长780纳米的入射光照射在表面等离激元纳米共振单元阵列上；
(2)利用Andor显微镜自带的CCD设备采集表面等离激元纳米共振单元阵列的显微数码图像；由于表面等离激元纳米共振单元阵列的特殊对称设计，当波长780纳米偏振光照射时，阵列中与入射的偏振单色光发生共振的等离激元共振单元会在显微图像中呈现出较周围更亮的两个位置3(如图2所示)；
(3)利用图像处理软件MATLAB，精确定位阵列中发生共振的两个共振单元的两个位置3，并用直线连接，该直线4的方向就是入射单色光的偏振方向，这样便可以计算出偏振方向与传感器轴向方向的夹角(如图4所示)。

Claims (7)

1.一种基于表面等离激元共振单元的偏振传感器的传感方法，其偏振传感器包括衬底和由表面等离激元共振单元构成的阵列，表面等离激元共振单元围绕阵列中心形成一个多圈的同心圆，且从内圈到外圈，等离激元共振单元的共振波长呈等差数列逐渐增大或减小；所述表面等离激元共振单元为长方形或者椭圆形，其长轴方向沿同心圆的径向；在同一个圆周上，等离激元共振单元的共振波长相同，且共振单元在360°的范围内均匀分布；其特征在于，传感方法包括如下步骤：
(1)将待测定偏振状态的单色入射光照射在由表面等离激元共振单元构成的阵列上；
(2)利用成像设备采集阵列的图像，阵列中与入射的偏振单色光发生共振的共振单元会在图像中呈现出较周围更亮或更暗的两个位置；
(3)利用图像处理软件，精确定位步骤(2)中发生共振的两个共振单元的位置，并用直线连接这两个位置，得到的直线方向就是入射单色光的偏振方向。
2.根据权利要求1所述的一种基于表面等离激元共振单元的偏振传感器的传感方法，其特征在于，所述表面等离激元共振单元采用凸块或者孔洞结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于表面等离激元共振单元的偏振传感器的传感方法，其特征在于，所述阵列的周期为50～10000纳米。
4.根据权利要求1所述的一种基于表面等离激元共振单元的偏振传感器的传感方法，其特征在于，所述表面等离激元共振单元的尺寸范围为10～10000纳米，厚度为10～1000纳米。
5.根据权利要求1所述的一种基于表面等离激元共振单元的偏振传感器的传感方法，其特征在于，所述阵列的材料为金属或者半导体。
6.根据权利要求1所述的一种基于表面等离激元共振单元的偏振传感器的传感方法，其特征在于，所述步骤(1)中，单色入射光的波长为300～1000纳米。
7.根据权利要求1所述的一种基于表面等离激元共振单元的偏振传感器的传感方法，其特征在于，所述步骤(2)中，成像设备为显微镜、显微摄像头或数码相机。
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