CN109001157A - 一种基于双重表面等离子体共振实现折射率传感的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于双重表面等离子体共振实现折射率传感的方法，属于微机电系统领域。通过在光栅层的上、下方覆盖金属薄层，形成金属‑介质复合结构，针对TM偏振光，利用光栅提供波矢匹配，在金属‑介质分界面激发表面等离子体共振；利用介质光栅脊与其上下金属界面形成的双重表面等离子体共振，实现光场能量的高度局域和共振吸收增强，使得反射光能量急剧下降，在宽带高反射光谱中形成反射谷。外界环境折射率的微小变化将引起反射谷位置的显著移动，通过监测反射光谱中反射谷位置的移动，实现对不同分析物样品的识别。

Description

一种基于双重表面等离子体共振实现折射率传感的方法
技术领域
本发明涉及一种基于双重表面等离子体共振实现折射率传感的方法，属于光纤传感器技术领域。
背景技术
表面等离子体共振是一种局域在金属-介质分界面、经由自由电子与光子相互作用形成的激发态。在这种相互作用中，入射光波引起金属界面具有相同共振频率的电子发生集体振荡，形成表面等离子体共振。基于表面等离子体共振的光学器件可以在微米和纳米尺度上操控光子传输，有望实现光子学和电子学在微纳尺度上的完美结合，在物理学、光学、材料科学和信息科学等领域极具应用价值，已成为近年来一个人们关注的焦点。
基于表面等离子体共振效应可以实现高灵敏度传感，它具有高灵敏度、免标记、非破坏性、可远程实时监测等优点，光栅结构可以为表面等离子体共振的激发提供波矢匹配，实现自由空间中传输光波与表面等离子体共振模式的耦合，因此借助光栅结构可以实现表面等离子体共振的光学传感。
以往基于光栅的表面等离子体共振折射率传感器，主要采用以下三种方式：第一种是基于光纤布拉格光栅结构，通过在光纤中引入布拉格光栅调控表面等离子体共振的激发，实现折射率传感；第二种是基于金属光栅结构，通过利用金属光栅的表面等离子体共振实现折射率传感；第三种是基于金属-介质波导光栅结构，通过利用表面等离子体共振与波导模共振的模式杂化，实现折射率传感。但是折射率传感的灵敏度有待于进一步提高。
发明内容
为了提高折射率传感的灵敏度，本发明提供了一种基于双重表面等离子体共振实现折射率传感的方法，采用在光栅的光栅层上下方覆盖金属薄层，形成金属-介质分界面结构，利用光栅提供波矢匹配，在金属-介质分界面激发表面等离子体共振；利用介质光栅脊与其上下金属界面形成的双重表面等离子体共振，引起光场能量的高度局域和光吸收率的显著增强，进而实现高灵敏度的折射率传感。
发明的第一个目的在于提供一种光栅，所述光栅具有金属-介质复合结构。
可选的，所述金属-介质复合结构为在光栅的光栅层上下方覆盖金属层形成的金属-介质复合结构。
可选的，所述在光栅的光栅层上下方覆盖金属层包括：
在光栅的光栅层上下方覆盖厚度为分别h1和h2的薄金属层；
其中，h1和h2取值范围为小于50nm，和/或不超过金属在设计波长的趋肤深度。
可选的，所述金属层和介质的材料根据波段范围选取。
可选的，所述在光栅的光栅层上下方覆盖金属层，包括：
采用电子束蒸发或磁控溅射镀膜方式镀制金属－介质复合结构多层膜，在此基础上采用电子束刻蚀或离子束刻蚀得到金属－介质复合结构光栅。
或
首先采用电子束蒸发或磁控溅射镀膜方式完成光栅层下方薄膜制备，然后基于半导体Lift-off工艺实现光栅及其上方金属覆盖层的制备：在薄膜上方采用紫外光刻方式制备光刻胶光栅掩模，在此基础上，通过电子束蒸发或磁控溅射镀膜方式完成介质光栅及其上方金属薄膜的沉积，最后通过丙酮等有机溶剂将光刻胶光栅掩模去除，进而获得金属-介质复合光栅结构。
本发明的第二个目的在于提供一种折射率传感器，所述折射率传感器为利用上述光栅制备而成的折射率传感器。
本发明的第三个目的在于提供一种实现高灵敏度折射率传感的方法，所述方法基于上述光栅或折射率传感器实现。
可选的，所述方法包括：
在不同的背景折射率下，通过光栅波矢匹配条件和金属-介质复合结构的色散关系估算反射谷的位置；
根据至少两种不同的背景折射率以及对应的反射谷的位置确定传感灵敏度；
根据传感灵敏度实现对不同背景折射率的识别。
可选的，所述通过光栅波矢匹配条件和金属-介质复合结构的色散关系估算反射谷的位置包括：
通过计算双重表面等离子体共振的传播常数和光栅波矢匹配的传播常数的交点，估算反射谷所在位置。
可选的，分别在正入射和斜入射条件下实现高灵敏度的折射率传感。
本发明有益效果是：
通过金属-介质复合结构光栅，在其光栅层的上、下方覆盖金属薄层，针对TM偏振光，利用光栅提供波矢匹配，在金属-介质分界面激发表面等离子体共振；利用介质光栅脊与其上下金属界面形成的双重表面等离子体共振，实现光场能量的高度局域和共振吸收增强，使得反射光能量急剧下降，在宽带高反射光谱中形成反射谷。外界环境折射率的微小变化将引起反射谷位置的显著移动，提高了折射率传感的高灵敏度；通过监测反射光谱中反射谷位置的移动，实现对不同分析物样品的识别。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中金属-介质复合结构光栅的结构示意图；
图2为本发明中金属-介质复合结构在空气背景中的吸收光谱曲线；
图3为本发明中金属-介质复合结构采用式(1)-(3)估算的表面等离子体共振波长；
图4为本发明中金属-介质复合结构在反射谷1796nm位置处的磁场分布；
图5为本发明中金属-介质复合结构反射光谱随不同分析物背景折射率变化曲线；
图6为本发明中金属-介质复合结构反射谷位置随不同背景折射率变化关系。
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，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一：
本实施例提供一种光栅，所述光栅具有金属-介质复合结构，如图1所示：
介质光栅层的上下方分别覆盖着厚度为h1和h2的薄金属层；其中：Λ为光栅周期，f为光栅填充系数，dg为介质光栅脊深度，dh为介质薄膜厚度，介质材料的相对介电常数为εd，衬底材料的相对介电常数为εs，金属材料的相对介电常数为εm。本实施例中以金属层材料为Ag为例进行说明。
对于TM偏振，要在金属-介质分界面上激发表面等离子体共振，传播常数β满足：
式(1)中，k0＝2π/λ为入射波矢，λ为入射光波长。
在此条件下，对于“空气/金属/介质/金属/介质/衬底”复合膜堆结构，相应的表面等离子体共振的色散关系满足：
式(2)中，km＝±(β2-k0 2εm)1/2、kd＝±(β2-k0 2εd)1/2、ka＝±(β2-k0 2εa)1/2分别为光波在金属、介质和空气中沿z方向的波矢。
对于金属-介质复合结构光栅，光栅可为表面等离子体共振的激发提供波矢匹配，此时入射波矢k0与表面等离子体共振的传播常数β之间满足：
其中，θ为入射角，m为衍射级次。
在本发明中，可以任意选取设计波长和薄膜材料进行传感器设计。假定选取选取SiO2材料作为衬底，对应相对介电常数εs＝2.2，介质材料采用Si3N4，对应相对介电常数εs＝4.2，金属材料选取Ag，其相对介电常数可用德鲁德模型描述为：
其中，ωp为等离子体频率，γ为阻尼系数，在近红外波段，Ag的ωp＝2π×2.175×1015rad/s，γ＝2π×4.35×1012rad/s。
选取光栅参数dg＝600nm，dh＝300nm，Λ＝827nm，f＝0.5，h1＝h2＝20nm，背景折射率为空气，采用严格的耦合波方法计算得到的吸收光谱如图2所示，可以看到，在1796nm位置处产生一个吸收峰，且旁带反射率较低。此外，如图3所示，基于式(1)-(3)，估算出结构中金属/介质交界面对应的等离子体共振波长为1818nm，与吸收峰所在位置基本吻合。
在此基础上，如图4所示，采用严格的耦合波方法计算吸收峰1796nm位置对应的磁场分布。从图4中可以看到，此时不仅在介质光栅脊与其上方的金属界面产生表面等离子体共振，也在介质光栅脊与其下方的金属界面产生表面等离子体共振，这一在介质光栅脊与其上、下金属交界面形成的双重表面等离子体共振，引起光场能量的高度局域和共振吸收增强，使得反射光能量急剧下降，在宽带高反射光谱中形成反射谷。此时，外界环境折射率的微小变化将引起反射谷位置的移动，从而实现高灵敏度的折射率传感。
如图5所示，分别计算不同背景折射率nt＝1.00、1.33、1.35、1.37对应的反射光谱曲线，可以看到，当背景折射率发生微小改变时，反射光谱中反射谷位置发生显著移动。分析反射谷位置与不同背景折射率之间关系，如图6所示，可以看出反射谷位置随背景折射率呈准线性变化，采用线性拟合得到的斜率为1084nm/RIU，也即该传感器的灵敏度为1084nm/RIU。
本发明通过金属-介质复合结构光栅，在其光栅层的上、下方覆盖金属薄层，针对TM偏振光，利用光栅提供波矢匹配，在金属-介质分界面激发表面等离子体共振；利用介质光栅脊与其上下金属界面形成的双重表面等离子体共振，实现光场能量的高度局域和共振吸收增强，使得反射光能量急剧下降，在宽带高反射光谱中形成反射谷。外界环境折射率的微小变化将引起反射谷位置的显著移动，提高了折射率传感的高灵敏度。
实施例二：
本实施例提供一种基于双重表面等离子体共振实现折射率传感的方法，所述方法应用于采用金属-介质复合结构光栅设计出的高灵敏度生物传感器中；
采用金属-介质复合结构光栅设计高灵敏度生物传感器，该传感器采用在介质光栅的光栅层上下方覆盖金属薄层构成，针对TM偏振光，利用光栅提供波矢匹配，在金属-介质分界面激发表面等离子体共振；利用介质光栅脊与其上下金属界面形成的双重表面等离子体共振，引起光场能量的高度局域和光吸收率的显著增强，致使反射光能量急剧下降，在宽带高反射光谱中形成反射谷。通过测量外界环境变化引起的反射谷位置移动，实现高灵敏度的折射率传感。
传感器的工作波段和材料可以根据实际需要选取。针对TM偏振，本实施例中选取SiO2材料作为衬底，其相对介电常数εs＝2.2；介质材料采用Si3N4，其相对介电常数εs＝4.2；金属材料选取Ag，其相对介电常数由德鲁德模型确定。光栅结构参数分别为：dg＝600nm，dh＝300nm，Λ＝827nm，f＝0.5，h1＝h2＝20nm，背景折射率为空气。
在上述参数参数条件下，如图2所示，采用严格的耦合波方法计算结构的吸收光谱，可以看到，在1796nm位置处产生一个共振吸收峰，且旁带反射率较低。
在图2的参数条件下，如图3所示，采用方程(1)-(3)，可以估算出结构中金属/介质交界面对应的等离子体共振波长为1818nm，与吸收峰所在位置1796nm基本吻合，可以判断该吸收峰是由结构中金属-介质交界面的表面等离子体共振造成的。此外，如图4所示，采用严格的耦合波方法计算吸收峰1796nm位置对应的磁场分布，可以看出此时介质光栅脊与其上下金属界面形成双重表面等离子体共振，光场能量在介质光栅脊上下界面高度局域，产生共振吸收增强，使得反射光能量急剧下降，在宽带高反射光谱中形成反射谷。此时，背景折射率的微小变化将引起反射谷位置的显著移动，从而实现高灵敏度的折射率传感。比如外界环境折射率变化范围为±0.001时，反射谷的位置将发生准线性移动。
在图2的参数条件下，选取不同的背景折射率nt，比如nt分别取1.33、1.35、1.37，采用严格的耦合波方法计算不同背景折射率对应的反射光谱，得到图5。从图5中可以看出，当背景折射率发生微小改变时，反射谷位置发生明显移动，且反射光谱对比度高，在反射谷位置的反射率趋于0。进一步整理反射谷位置随不同背景折射率变化关系，得到图6，可以看出，反射谷位置随背景折射率呈准线性变化，采用线性拟合得到的斜率为1084nm/RIU，由此得到的传感灵敏度为1084nm/RIU。
在实际制备中，采用电子束蒸发或磁控溅射等常规镀膜方式，可以在SiO2衬底上镀制Si3N4和Ag薄膜，然后通过电子束刻蚀或反应离子束刻蚀等方法，对Si3N4和Ag薄膜进行刻蚀，进而获得金属-介质复合结构光栅。
在此基础上，利用常规的微流控装置，可以选取不同的背景折射率，进而实现微小折射率变化的传感监测。比如让不同浓度的盐水流经光栅表面，由于不同浓度的盐水具有不同的折射率，对应的反射谷位置将发生移动。通过监测反射光谱中反射谷位置的移动，实现对不同浓度盐水的识别。
本发明通过金属-介质复合结构光栅，在其光栅层的上、下方覆盖金属薄层，针对TM偏振光，利用光栅提供波矢匹配，在金属-介质分界面激发表面等离子体共振；利用介质光栅脊与其上下金属界面形成的双重表面等离子体共振，实现光场能量的高度局域和共振吸收增强，使得反射光能量急剧下降，在宽带高反射光谱中形成反射谷。外界环境折射率的微小变化将引起反射谷位置的显著移动，提高了折射率传感的高灵敏度；通过监测反射光谱中反射谷位置的移动，实现对不同分析物样品的识别。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光栅，其特征在于，所述光栅具有金属-介质复合结构。
2.根据权利要求1所述的光栅，其特征在于，所述金属-介质复合结构为在光栅的光栅层上下方覆盖金属层形成的金属-介质复合结构。
3.根据权利要求2所述的光栅，其特征在于，所述在光栅的光栅层上下方覆盖金属层包括：
在光栅的光栅层上下方覆盖厚度为分别h1和h2的薄金属层；
其中，h1和h2取值范围为小于50nm。
4.根据权利要求2所述的光栅，其特征在于，所述金属层和介质的材料根据波段范围选取。
5.根据权利要求2所述的光栅，其特征在于，所述在光栅的光栅层上下方覆盖金属层，采用以下方式实现：
第一种方式：
采用电子束蒸发或磁控溅射镀膜方式镀制金属－介质复合结构多层膜，在此基础上采用电子束刻蚀或离子束刻蚀得到金属－介质复合结构光栅；
或第二种方式：
首先采用电子束蒸发或磁控溅射镀膜方式完成光栅层下方薄膜制备，然后基于半导体Lift-off工艺实现光栅及其上方金属覆盖层的制备：在薄膜上方采用紫外光刻方式制备光刻胶光栅掩模，在此基础上，通过电子束蒸发或磁控溅射镀膜方式完成介质光栅及其上方金属薄膜的沉积，最后通过丙酮等有机溶剂将光刻胶光栅掩模去除，进而获得金属-介质复合光栅结构。
6.一种折射率传感器，其特征在于，所述折射率传感器为利用上述权利要求1～5任一所述的光栅制备而成的折射率传感器。
7.一种实现高灵敏度折射率传感的方法，其特征在于，所述方法基于上述权利要求1～5任一所述的光栅或权利要求6所述的折射率传感器实现。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
在不同的背景折射率下，通过光栅波矢匹配条件和金属-介质复合结构的色散关系估算反射谷的位置；
根据至少两种不同的背景折射率以及对应的反射谷的位置确定传感灵敏度；
根据传感灵敏度实现对不同背景折射率的识别。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述通过光栅波矢匹配条件和金属-介质复合结构的色散关系估算反射谷的位置包括：
通过计算双重表面等离子体共振的传播常数和光栅波矢匹配的传播常数的交点，估算反射谷所在位置。
10.根据权利要求7～9任一所述的方法，其特征在于，分别在正入射和斜入射条件下实现高灵敏度的折射率传感。
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