CN109270031B - 一种圆环-矩形复合纳米孔阵列表面等离激元光纤传感器 - Google Patents
一种圆环-矩形复合纳米孔阵列表面等离激元光纤传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明设计了一种高灵敏度的圆环‑矩形复合金属孔阵列光纤传感器，主要由光纤体(3)和光纤端面传感体(1、2)构成。所述的传感体由衬底介质层(3)、金属膜(2)、圆环‑矩形复合孔阵列结构(1)组成。圆环‑矩形复合孔阵列(1)贯穿金属膜(2)呈周期性阵列排列在金属膜(2)上。在圆环‑矩形复合孔阵列(1)内填充有待测介质，从而金属膜(2)、圆环‑矩形复合孔阵列(1)以及待测介质构成了一个传感体整体。本发明的传感器通过改变结构参数可有效调节透射峰的位置和大小，增强了光纤传感器的适用范围以及精度，在中红外波段具有高灵敏度特性。基于本发明设计可以实现宽光谱、高精度、可调、易加工的高灵敏度光纤传感器。
Description
(一)技术领域
本发明涉及微纳电子领域，属于光纤传感领域，具体是基于表面等离子体共振的(SPR)的光纤传感技术。
(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，是金属-电解质表面上存在的一种特殊的电磁波模式。在共振激发下能够形成极强的电场和局域磁场，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。
光学异常透射现象(Extraordinary Optical Transmission,EOT)。自1998年Ebbesen等人在研究银膜上的亚微米孔阵列的光学特性时，在可见光-近红外波段得到了不同寻常的零级透射谱。在稍大于阵列周期的波长处测得的零级透射率T能够大于孔的填充比(定义为孔面积/一个周期的面积)。这比经典的小孔透射理论预言的数量高若干个数量级。金属膜上制作的亚波长孔阵列对光的透射起到了超越传统预期的积极作用，这种现象被称为光学异常透射。
EOT现象是金属亚波长结构中表面波引起的异常光透射，是表面等离激元光学(plasmonics)进入活跃发展期的一个标志性事件。当孔径尺寸远小于波长时，经典的小孔透射理论预言的极低的透射率大大限制了亚波长尺度下对光波的调控能力，而EOT克服了这一障碍，在中红外、THZ和微波等波段都观察到了EOT现象，使得亚波长金属孔阵列在诸如滤波器、传感器、偏振器等方面具有广泛的应用，在生物传感、光学滤波、纳米光刻、新型光源和光学存储等领域有广阔的应用前景。
研究发现通过改变孔阵列结构的周期、金属膜厚度、孔的形状和尺寸、金属材料、光入射角度、阵列结构排列方式等参数,可以有效调节透射峰的位置,以及透射率的大小。
随着科学技术的发展，云计算、物联网时代的到来，人们对数据传输和感测能力的需求不断提高，传感器的应用越来越广泛。但是受限于普通传感器的体积、精度以及稳定性等问题，提高传感器灵敏度，寻求新的物理机制及结构设计提高传感器灵敏度是当务之急。基于光纤端面的孔阵列结构表面等离激元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，备受青睐和重视，为解决当前面临的光纤传感器存在灵敏度低、测量精度不高、加工复杂等问题提供了有效的解决方案。
(三)发明内容
本发明主要解决现有的光纤传感器灵敏度低的问题，设计了一种高灵敏度的圆环-矩形复合孔阵列结构的表面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：
一种高灵敏度的圆环-矩形复合孔阵列结构光纤传感器，主要有光纤体和光纤端面传感体，所述的传感体由衬底介质层、金属膜、圆环-矩形复合孔阵列结构组成，圆环-矩形复合孔贯穿金属膜、呈周期性阵列排列在金属膜上。在圆环-矩形复合孔阵列内填充有待测介质。从而光纤体、金属膜、圆环-矩形复合孔阵列以及待测介质构成了一个传感体整体。
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，基底介质层优选材料为二氧化硅；
上述方案中，为了获得良好的传感性能，金属膜厚度t取100nm；
上述方案中，优选的圆环-矩形复合孔阵列结构周期p为400nm；
上述方案中，优选的圆环-矩形复合孔阵列结构圆环外径R为120nm；
上述方案中，优选的圆环-矩形复合孔阵列结构圆环内径r变化范围为90nm～120nm；
上述方案中，优选的圆环-矩形复合孔阵列结构矩形长度l变化范围为100nm～140nm；
上述方案中，优选的圆环-矩形复合孔阵列结构以质心为旋转点旋转角度θ变化范围为0°～90°；
上述方案中，优选的圆环-矩形复合孔阵列结构狭缝宽度d变化范围为5nm～30nm；
上述方案中，外界待测介质折射率n范围为1.10～1.30；
与现有等离激元传感器相比本发明的优点有：
1.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子体光纤传感器，通过选取最优结构参数，改变待测介质折射率，可以测出该传感器具有高灵敏度特性。
2.本发明方案中，通过设置不同的结构参数可以精细调节透射峰的频谱位置和大小，适应不同的检测范围，提高适用性，能广泛应用于环境监测，生物监测以及食品安全领域。
3.本发明方案中传感器结构简单，封装尺寸小，能为光电子器件提供一种高灵敏度传感器。
(四)附图说明
图1为本发明的一种高灵敏度圆环-矩形复合孔阵列结构的等离激元光纤传感器三维结构示意图。
图2为本发明的单个圆环-矩形复合孔的二维结构示意图。
图3为本发明采用不同圆环内径时透射光谱图。
图4为本发明采用不同矩形长度时透射光谱图。
图5为本发明采用不同旋转角度时透射光谱图。
图6为本发明采用不同狭缝宽度时透射率和背景折射率关系图。
图7为本发明不同介质折射率与灵敏度和透射率关系图。
图中标号为：1、圆环-矩形复合孔；2、金属膜；3、基底介质层；1-1圆环-矩形复合孔的圆环部分；1-2圆环-矩形复合孔的矩形部分。
(五)具体实施方式
为了进一步说明本发明的技术方案和优点，结合下面实例对本发明的技术方案作详细说明和探讨。但不用于限制本发明。
一种高灵敏度传感器的三维结构如图1，该结构由基底介质、金属膜，圆环-矩形复合孔阵列结构组成。介质3的材料为二氧化硅，金属膜可以为任何符合表面等离激元的材料如金、银、铜等，在本例中优选金膜，金属膜厚度优选为100nm。圆环-矩形复合孔结构由圆环和矩形复合而成，贯穿金属膜上下表面，每个圆环-矩形复合孔的形状和尺寸完全相同，N个圆环-矩形复合孔在金膜上呈周期性排列构成圆环-矩形复合孔阵列。复合孔中矩形可为规则矩形或类矩形，本发实例优选规则长条形矩形。参见图2。
本发明工作机理：平面光从基底介质上表面垂直入射，在金膜上表面出射；亦或平面光从金膜上表面垂直入射，在金膜下表面即基底介质上表面出射，本发明采用平面光从介质上表面垂直入射，当平面波光入射到金属膜表面时，在圆环-矩形复合孔阵列结构中垂直方向的长表面等离激元和水平方向的局域表面等离激元耦合激发强烈的电磁场从而增强透射，表现出优异的频谱特性。
在本发明实例中每个单复合孔的周期即长和宽p都为400nm，圆环的外径均R为120nm，圆环内径r在90nm～110nm之间变化，矩形长度l在60nm～140nm之间变化，复合孔以质心O为旋转点逆时针旋转，旋转角度θ在0°～90°之间变化。狭缝宽度d指圆环内径与圆环外径之间的距离和矩形宽，d＝w,变化范围在5nm～30nm之间。
通过改变圆环内径、矩形长度、旋转角度、狭缝宽度、金属膜材料等结构参数可以调节透射峰所在位置和大小，从可以在理想波段得到高灵敏度、可选频的表面等离激元传感器。在本发明的基础下结合实例可得出如下结果：
图3为本发明不同内径透射率和波长的关系图，图中横坐标为波长，单位为nm，纵坐标为透射率，即光的透射效率。在图中采用五种不同的曲线分别表示不同内径时的透射光谱图，圆环内径分别为90nm、95nm、100nm、105nm、110nm，从图结果可见透射峰随内径r的增大有规律地红移，透射峰所在波长由1344nm增大到2025nm，并且透射强度由84.4％逐渐降低到77.5％。通过改变内径可以调节透射峰所在波长以及透射峰的大小，根据传感器的需求可以实现高灵敏度传感器的可调特性。
图4为本发明不同矩形长度透射率和波长的关系图，图中横坐标为波长，单位为nm，纵坐标为透射率，在图中采用五种不同的曲线分别表示不同矩形长度时的透射光谱图，矩形长度l分别为60nm、80nm、100nm、120nm、140nm。从图结果可见随着矩形长度l的增大透射峰有规律地红移，透射峰所在波长由1452nm增大到1894nm，并且透射强度逐渐增大,透射率由81.5％增大到82.8％，结合内径的改变可以实现较宽的选频特性，提高高灵敏度传感器的适用范围。
图5为本发明不同旋转角度θ与透射率的关系图，图中横坐标为波长，单位为nm，纵坐标为透射率，在图中采用六种不同的曲线分别表示不同旋转角度时的透射光谱图，圆环与矩形组成的整体以质心O为旋转点18°为步长逆时针旋转，旋转角度θ分别为0°、18°、36°、54°、72°、90°，从图结果可见透射峰先减小后增大，θ＝0°处得到最高透射峰，透射率为82.6％，并且随着角度的增大透射峰所在波长由1611nm蓝移到1317nm。配合不同的圆环内径，矩形长度实现在选频上的微调，提高了高灵敏度传感器的调节精度。提高传感器的准确性。
图6为本发明不同狭缝宽度波长和介质折射率的关系图，图中横坐标为背景折射率，即复合孔内填充物质的折射率，纵坐标为波长，单位为nm，在图中采用六种不同的曲线分别表示不同狭缝宽度时的波长和介质折射率的关系图，狭缝宽度和矩形宽度相同，分别为5nm、10nm、15nm、20m、25nm、30nm。从图结果可见，在相同介质折射率下狭缝宽度d越宽波峰所在的波长越小，介质折射率增大时波峰所在波长向长波长移动，狭缝宽度增大时该结构灵敏度降低，当该结构的狭缝宽度为5nm时得到一个最高灵敏度为2613±75nm/RIU。结合图7可见通过调节狭缝宽度可以实现灵敏度和透射之间匹配互补性，可以根据实际需要选择相应的狭缝宽度实现高灵敏度传感器的最优化。
以上实例仅作为本发明的实施方式，本发明不局限于以上实现方式，凡在本发明的思想、原理和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均视为在本发明的保护之内。
Claims (9)
1.一种高灵敏度的圆环-矩形复合金属孔阵列结构表面等离激元光纤传感器，该传感器主要包括光纤体和光纤端面的传感体组成，其中光纤端面的传感体由金属膜和圆环-矩形复合金属孔阵列构成，圆环-矩形复合金属孔阵列是一种由圆环和矩形复合形成的金属孔阵列，圆环-矩形复合金属孔阵列贯穿金属膜上下表面，圆环-矩形复合金属孔内为待测介质；圆环-矩形复合金属孔在金属膜上以N个周期均匀排列；光纤体，金属膜，圆环-矩形复合金属孔阵列共同构成了完整的光纤传感器；
采用平面光从介质上表面垂直入射，当平面波光入射到金属膜表面时，在圆环-矩形复合金属孔阵列结构中垂直方向的长表面等离激元和水平方向的局域表面等离激元耦合激发强烈的电磁场从而增强透射，表现出优异的频谱特性；
通过改变圆环内径，矩形长度，旋转角度，狭缝宽度，金属膜材料等结构参数可以调节透射峰所在位置和大小，从而可以在理想波段得到高灵敏度，可选频的表面等离激元传感器。
2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度圆环-矩形复合金属孔阵列结构的表面等离激元光纤传感器，其特征在于：基底介质采用二氧化硅。
3.根据权利要求1所述的一种高灵敏度圆环-矩形复合金属孔阵列结构的表面等离激元光纤传感器，其特征在于：金属膜材料为金且厚度为100nm。
4.根据权利要求1所述的一种高灵敏度圆环-矩形复合金属孔阵列结构的表面等离激元光纤传感器,其特征在于：多个圆环-矩形复合金属孔的结构单元外径一致为120nm，内径介于90nm～1 20nm。
5.根据权利要求1所述的一种高灵敏度圆环-矩形复合金属孔阵列结构的表面等离激元光纤传感器，其特征在于：所有圆环-矩形复合金属孔的周期结构完全一致，周期为400nm。
6.根据权利要求1所述的一种高灵敏度圆环-矩形复合金属孔阵列结构的表面等离激元光纤传感器，其特征在于：圆环-矩形复合金属孔阵列结构旋转角度变化为0°～90°。
7.根据权利要求1所述的一种高灵敏度圆环-矩形复合金属孔阵列结构的表面等离激元光纤传感器，其特征在于：圆环-矩形复合金属孔矩形长度变化为100nm～140nm。
8.根据权利要求1所述的一种高灵敏度圆环-矩形复合金属孔阵列结构的表面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1.10～1.30。
9.根据权利要求1所述的一种高灵敏度圆环-矩形复合金属孔阵列结构的表面等离激元光纤传感器，其特征在于：狭缝宽度变化为5nm～30nm。
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