CN109100331A - 一种正六边形晶格结构的金属孔阵列等离激元光纤传感器 - Google Patents

一种正六边形晶格结构的金属孔阵列等离激元光纤传感器 Download PDF

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杨宏艳
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Abstract

本发明提供一种正六边形晶格结构的金属孔阵列等离激元光纤传感器，主要是在光纤体端面上设置高灵敏度的传感体，其中传感体包括衬底介质和金属孔阵列组成，而金属孔阵列N个正六边形晶格结构均匀排布金属膜上，这些多个圆孔狭缝贯通开设在金属膜上下表面；每个圆孔狭缝单元尺寸和形状完全相同且内部均填满了外界介质。所述金属薄膜、衬底介质层以及金属孔阵列构成统一整体传感结构。本发明的光纤传感器结构在近红外频段内具有较良好灵敏度性能，并且通过改变传感体相关结构参数可以有效调整光谱的带宽和共振峰的位置。结果表明，该传感器的灵敏度可达到486±6nm/RIU。其中该传感器结构简单、检测精度高及兼容性好等优点，能为环境检测和食品安全等领域提供了一个新的传感器件。

Description

一种正六边形晶格结构的金属孔阵列等离激元光纤传感器
(一)技术领域
本发明涉及微纳光电子领域，属于光纤传感领域，尤其是涉及到基于表面等离子体共振(SPR)的光纤传感技术，具体来说是涉及一种正六边形晶格结构的金属孔阵列等离激元光纤传感器。
(二)背景技术
表面等离激元(surface plasmon)是金属表面的自由电子在入射光激发下形成的相干集体振荡,在共振激发下能够形成极强的电场增强和表面局域，是金属-电解质表面上存在的一种特殊的电磁波模式。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T.W.Ebbesen等提到这种强透射光谱特性与孔阵列类型有关以来,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,可以有效调节共振峰的位置以及大小。例如2009年Sandblad等人(AnalyticalChemistry,2009,81(9):3551-9)在光纤末端设计了一种亚波长条状阵列的折射率传感器灵敏度为195nm/RIU；2013年Jia等人(Nanotechnology,2013,24(19):195501)在光纤末端利用模板转移技术获得的折射率传感器的灵敏度为167nm/RIU；后续科研人员不断研究，2014年Zhang等人(Optical Engineering,2014,53(10):107-108)报道了一种复合矩形亚波长孔阵列折射率传感器灵敏度为178nm/RIU。在Reuven Gordon等人(Laser&PhotonicsReviews,2010,4(2):311-335)认为孔阵列在金属薄膜中的排列(即晶格类型)会影响通过SPP激发与耦合作用来调制的光强透射特性。对于周期性孔阵列及晶格轴的方向确定SPP激发的概率。与此同时,Carsten Rockstuhl等人(Applied Physics Letters,2007,91(15):163)也曾认为圆孔阵列的SPP耦合作用与晶格的对称性相关。晶格结构的对称性更越好，展现出较强的光透射增强效果和较窄的透射峰。后来在2012年Huy NGUYEN等人(PhotonicSensor,2012,2(3):271-276)提出了正四边形晶格结构金属圆孔结构，该结构简单、易于加工及封装尺寸小等优点，其灵敏度373±16nm/RIU，在传感探测精度性能上得到了进一步的优化；因此，基于以上分析，为了克服及改善现有微纳光学传感器探测精度及灵敏度低的问题，提出了一种正六边形晶格结构的金属孔阵列等离激元光纤传感器。
(三)发明内容
本发明主要针对现有等离激元光纤传感器灵敏度不高、检测精度差及传感性能不稳定等问题，提出了一种有效改善传感灵敏度的正六边形晶格结构的金属孔阵列等离激元光纤传感器。
本发明通过以下技术方案解决上述问题：
一种正六边形晶格结构的金属孔阵列等离激元光纤传感器，主要包括光纤体及光纤端面传感体，所述传感体由衬底介质层、金属膜和多个狭缝结构单元组成。这些多个狭缝结构单元呈圆形贯通开设在金属膜上，并以正六边形的六个角及中心为圆孔圆心而形成单个周期正六边形晶格圆孔结构。正六边形晶格圆孔结构以N个周期均匀排布在金属膜上，且多个圆孔狭缝内部均填满了待测介质。从而金属膜、正六边形晶格圆孔阵列及待测介质构成一个统一整体的传感体。
上述方案中，金属膜材料可以为银、铜、铝等，其最优选的金属膜材料为金；
上述方案中，为了获得良好的传感性能，金属膜厚度T范围为100nm～180nm；
上述方案中，基底介质层的折射率优选为1.35；
上述方案中，优选的正六边形晶格长度P范围为500nm～600nm；
上述方案中，多个圆孔狭缝直径D均相等，其范围为180nm～260nm；
上述方案中，外界待测介质折射率n范围为1.30～1.46。
与现有等离激元光纤传感器相比，本发明的优点是：
1.在本发明方案中，通过设置合理的结构参数可以得到一个高灵敏度的等离激元光纤传感器，具体表现为在通过固定最优结构参数，改变待测介质折射率，可以测出该传感器具有较高的灵敏度。
2.为适应不同的检测范围，本方案的传感器可通过设置不同的结构参数来调节反射峰的频谱位置，进而可以根据需要来设计结构参数，大大提高了适用范围，能够广泛的应用于监测环境与食品安全等领域。
3.该传感器结构简单，易于集成，加工便捷，封装尺寸小，为光电子器件提供了一种新的高灵敏度传感器。
(四)附图说明
图1为本发明提出的一种正六边形晶格结构的金属孔阵列等离激元光纤传感器三维结构示意图。
图2为本发明的单个正六边形晶格的二维结构示意图。
图3为本发明采用不同金属膜厚度时反射光谱曲图。
图4为本发明采用不同圆孔直径时反射光谱曲图。
图5为本发明采用不同正六边形晶格边长长度/阵列周期时反射光谱曲图。
图6为本发明采用不同待测介质折射率时反射光谱曲图。
图7为不同外界待测介质折射率与共振波长关系。
图中标号为：1、光纤体，2、基底介质层，3、金属膜，4、多个圆孔狭缝结构单元，5、单位正六边形晶格结构。
(五)具体实施方式
为了深入了解本发明的技术方案以及优点，下面结合实施例对本发明做进一步说明。
图1为本发明提出的一种正六边形晶格结构的金属孔阵列等离激元光纤传感器三维结构示意图。该传感器主要包括光纤体(1)以及设置在光纤端面上的传感体组成，其中传感体由基底介质(2)、金属膜(3)、及多个圆孔狭缝结构单元(4)构成。这些多个圆孔狭缝按正六边形晶格结构(5)均匀排布且贯通开设在金属膜上，以正六边形晶格圆孔结构为单个周期结构，在金属膜上按周期性设置出正六边形晶格圆孔结构，从而使之构成一个完整的正六边形晶格圆孔金属阵列结构。
图2为本发明的单个正六边形晶格的二维结构示意图。单个正六边形晶格圆孔主要由正六边形的六个角圆孔和中心圆孔组成，其中这些圆孔的半径与厚度大小均一致，由四个圆心连线形成的矩形，该矩形区域为本发明的仿真区域。
为了获得最佳的传感性能，需要设置不同的结构参数，其中T为金属膜厚度，P为正六边形晶格边长长度(这也是单位孔阵列的周期参数)，D为圆孔直径，n为外部待测介质折射率。通过优化结构参数，以获得传感器的灵敏度特性。其灵敏度(S)定义为：
其中Δλspp(peak)是对于不同的外部待测介质折射率(下一个)的仿真得到的共振峰的波长偏移，Δnext是外部待测介质折射率变化值。
当入射光照射到正六边形晶格周期排列的圆孔结构时，金属表面与介质之间就会产生表面等离子激元(SPPs)，并会在特定波长处激发表面等离子体共振。当SPPs沿着金属圆孔表面传输时，将会产生光学异常特性(EOT)，使得该共振波长被吸收，从而导致该共振波长的反射光被极大地衰减。这是由于SPPs波满足相位相消条件时，反射光谱就会产生共振峰，在这种条件作用下，可以通过改变结构参数，使反射光谱的位置及大小发生了变化。从而有效的优化传感器的灵敏性能。
为加工方便以及获得良好的传感性能，本发明实施操作为：①当不同金属膜厚度T在100nm～180nm范围内变化时，结果可见如图3所示的光谱曲线图；②当不同圆孔直径D在180nm～260nm范围内变化时，结果可见如图4所示的光谱曲线图；③不同正六边形晶格长度P在500～600nm范围内变化时，结果可见如图5所示的光谱曲线图；④不同待测介质折射率n在1.30～1.46范围内变化时，结果可见如图6所示的光谱曲线图。
如图3所示，为本发明采用不同金属膜厚度T时反射光谱曲图。图中横坐标为入射波长，纵坐标为反射率。其工作波段λ为600nm～800nm，取正六边形晶格边长长度P＝500nm,圆孔直径D＝200nm,在图中五种不同的反射光谱曲线分别为不同金属膜厚度T依次取值为100nm、120nm、140nm、160nm、180nm时仿真得出的结果。由图中结果可见，在共振波长λspp为698nm处产生一个共振峰。随着金属膜厚度的增大，共振峰的反射强度的不均匀性增强,反射光谱带宽逐渐减小,共振峰产生明显了蓝移现象.因此可知，通过改变金属膜厚度，可以有效改变共振峰的反射率大小和位置，从而优化传感器的检测精度。
如图4所示，为本发明不同圆孔直径D时的反射光谱曲图。图中横坐标为入射波长，纵坐标为反射率，其工作波段为700nm～980nm。取正六边形晶格边长长度P＝560nm，金属膜厚度T＝100nm,在图中五种不同的反射光谱曲线分别为不同圆孔直径D依次取值为180nm、200nm、220nm、240nm、260nm时仿真得出的结果，从此图可看出,当圆孔直径从180nm增加到260nm时，共振峰产生明显了红移现象，反射光谱半高宽逐渐增大，反射率基本保持不变。因此可知，通过调节圆孔直径，使得共振峰的反射光谱曲线位置发生了改变，从而传感器精度的选择性可以得以实现。
如图5所示，为本发明采用不同正六边形晶格边长长度时反射光谱曲图。图中横坐标与纵坐标表示和图3一致。在图中六种不同的反射光谱曲线分别为正六边形晶格边长长度P依次取值为500nm、520nm、540nm、560nm、580nm、600nm,薄膜厚度T＝100nm，圆孔直径D＝200nm时仿真得出的结果。由图结果可看出,随着正六边形晶格边长长度的增大，共振峰产生明显了红移现象，且共振波长红移了110nm。显而易见，通过改变正六边形晶格边长长度，能够调节共振波长光谱位置。因此，可以有效的调整传感器精度的频段选择性。
上述图3-图5均通过金属厚度、圆孔直径及正六边形晶格边长长度等结构参数来探讨及优化传感器的基本性能，以获得良好的光谱曲线。为了获得最佳的传感器灵敏度，下面根据待测介质折射率来分析传感的性能。
图6为本发明采用不同待测介质折射率时反射光谱曲图。图中横坐标与纵坐标表示和图3一致。在结构参数薄膜厚度T＝140nm,正六边形晶格边长长度P＝600nm,圆孔直径D＝400nm的情况下优选基底折射率为1.30，通过改变待测介质折射率，使得出现良好的传感性能。其图中五种不同的反射光谱曲线分别为不同待测介质折射率n依次取值为1.30、1.34、1.38、1.42、1.46时仿真得出的结果。由图结果可见,随着介质折射率的增大，共振波长向长波长依次进行了移动，即红移现象。从待测介质折射率1.30增加到1.46时，共振峰的波长偏移了78nm，即Δλspp(peak)＝78nm，因此可知，改变待测介质折射率可以使光谱位置发生了变化，从而可以得出传感器的灵敏度特性。通过灵敏度特性，可以根据不同折射率的性质来检测及识别各种样品，从而可以实现传感的应用价值。
如图7所示，不同外界待测介质折射率与共振波长关系。图中横坐标表示为外界介质折射，纵坐标表示为共振峰波长，在图中直线表示为不同外界待测介质折射率n与共振波长λ的关系。由图中结果可知，随着外界介质折射率n增加，反射谱共振波长λ随之增大，且共振峰的波长偏移(Δλspp(peak))随之增大，从而使灵敏度提高。由图中可见，图中的共振峰波长到下一个共振峰波长的倾斜率几乎一致，其均几乎近似于图中的拟合直线，图中直线的倾斜率K为486±6nm/RIU，由外界介质折射率n与透射峰共振波长λspp(peak)的关系可知，图中直线的倾斜率就是本发明传感器的灵敏度，其灵敏度高达到S＝486±6nm/RIU,显而易见，通过改变外界介质折射率可以获得较高的传感器灵敏度，并且保持良好的传感特性。
本发明所设计的一种正六边形晶格结构的金属孔阵列等离激元光纤传感器。实际检测应用时，位于光纤端面的整个传感器需与待测介质充分接触，金属膜上的圆孔内完全填充待测介质，待测介质可以为各种气体、液体以及混合溶液等。待测介质折射率n的变化会导致共振波长λspp(peak)发生变化，因此可以根据共振波长λspp(peak)的变化来检测折射率n的变化。为适应不同的检测范围，可以通过改变传感器的结构参数来调节共振波长的大小，各参数可单个改变也可以多个同时改变。
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 (7)

1.一种正六边形晶格结构的金属孔阵列等离激元光纤传感器，该传感器主要包括光纤体(1)以及设置在光纤端面上的传感体组成，其中传感体由基底介质层(2)和金属孔阵列层构成，其中金属孔阵列层由金属膜(3)、多个圆孔狭缝结构单元(4)及待测介质构成。这些多个圆孔狭缝按正六边形晶格结构(5)均匀排布且贯通开设在金属膜上，并以正六边形的六个角及中心为圆孔圆心而形成单个周期正六边形晶格圆孔结构。正六边形晶格圆孔结构以N个周期均匀排布在金属膜上，且多个圆孔狭缝内部均填满了待测介质。光纤体、衬底介质及金属孔阵列构成了一个完整的光纤传感器。
2.根据权利要求1所述的一种正六边形晶格结构的金属孔阵列等离激元光纤传感器，其特征在于：基底介质的折射率为1.35。
3.根据权利要求1所述的一种正六边形晶格结构的金属孔阵列等离激元光纤传感器，其特征在于：所述金属膜的材料为金其厚度介于100nm～180nm。
4.根据权利要求1所述的一种正六边形晶格结构的金属孔阵列等离激元光纤传感器，其特征在于：多个圆孔狭缝结构单元的直径及厚度均一致，其直径介于180nm～260nm。
5.根据权利要求1所述的一种正六边形晶格结构的金属孔阵列等离激元光纤传感器，其特征在于：所有正六边形晶格周期结构单元完全一致。其边长介于500nm～600nm。
6.根据权利要求1或4所述的一种正六边形晶格结构的金属孔阵列等离激元光纤传感器，其特征在于：金属膜表面形状和尺寸与基底介质形状和尺寸相等。
7.根据权利要求1所述的一种正六边形晶格结构的金属孔阵列等离激元光纤传感器，其特征在于：外界待测介质折射率范围为1.30～1.48。
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