CN109613633B - 一种超窄多频带光学传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超窄多频带光学传感器。该超窄多频带光学传感器由下至上依次为第一高介电材料层、金属层、第二高介电材料层以及光子晶体；所述第一高介电材料层、所述金属层以及所述第二高介电材料层构成膜堆积等离激元结构；所述光子晶体为多个条纹介质材料组成的一维周期结构。本发明极大地缩小了透射波谷的带宽及有效增加了透射波谷的数量，具有结构简单、成本低、灵敏度高、可调节且可复用等优点。

Description

一种超窄多频带光学传感器
技术领域
本发明涉及光学传感器领域，特别是涉及一种超窄多频带光学传感器。
背景技术
表面等离激元共振(Surface plasmons resonance)通常是指金属结构表面的自由电子在外加电磁波照射下的集体振荡，在金属表面形成局域电磁场增强效应。超材料指的是通过人工设计制造得到的一种纳米结构，其磁导率、折射率等性能可人为调控，近年来在纳米光学、材料科学等领域被广泛应用。
传统的等离激元传感器主要由粗糙金属膜、金属纳米颗粒/阵列、金属孔洞结构及分级结构等组成。通过合理设计材料的参数以及结构的尺寸，使得入射光与结构之间的电磁分量产生耦合，从而使得在某一波长范围内的光出现异常透射、反射或吸收。但是传统的等离激元光学传感器往往具有频带单一、频带宽且传感灵敏度低等缺点。此外，大多数等离激元光学传感器主要是基于贵金属材料(比如金、银)制造而成，成本高且制备复杂。
发明内容
本发明的目的是提一种超窄多频带光学传感器，极大地缩小了透射波谷的带宽及有效增加了透射波谷的数量，具有结构简单、成本低、灵敏度高、可调节且可复用等优点。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种超窄多频带光学传感器，所述超窄多频带光学传感器由下至上依次为第一高介电材料层、金属层、第二高介电材料层以及光子晶体；所述第一高介电材料层、所述金属层以及所述第二高介电材料层构成膜堆积等离激元结构；所述光子晶体为多个条纹介质材料组成的一维周期结构。
可选的，所述第一高介电材料层以及所述第二高介电材料层的材料为高折射介电材料。
可选的，所述金属层的厚度为20nm。
可选的，所述第一高介电材料层以及所述第二高介电材料层的厚度为10-40nm。
可选的，所述光子晶体的周期为400-850nm。
可选的，所述光子晶体的厚度为100-240nm。
可选的，所述条纹介质材料的宽度为100-500nm。
可选的，所述超窄多频带光学传感器的制备方法包括：
在抛光的石英晶片上依次沉积第一高介电材料层、金属层以及第二高介电材料层；
在所述第二高介电材料层均匀的涂覆一层光刻胶；
采用电子束光刻的方法在所述第二高介电材料层上制备一维光刻胶条纹周期结构；
采用磁控溅射仪在所述一维光刻胶条纹周期结构上沉积介质材料；
采用Lift-off的方法去掉所述一维光刻胶条纹周期结构条纹上的介质材料；保留所述一维光刻胶条纹周期结构条纹间的条纹介质材料；
采用去胶液将所述第二高介电材料层上的所述一维光刻胶条纹周期结构除去，完成制作。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：本发明通过将高介电材料-金属层-高介电材料层的膜堆积等离激元结构和光子晶体整合，极大地扩展了光透射的频带数量和缩窄了频带宽度。本发明中主要采用的硅、砷化镓等高介电材料，在光的照射下，能够产生类似于等离激元的共振特性(即类等激元)，可有效地和入射光发生耦合作用，并进一步与金属层的表面等离激元发生耦合，产生超窄带的透射波谷；且本发明主要材料为高介电材料和介质材料，需要的金属(金、银、铜)量较少，故而具有更低的金属欧姆损耗。通过调节结构尺寸和优化材料参数可在可见-近红外波段实现超窄多频带光传感；在光学传感、滤波及波分复用等领域都具有广泛的应用前景；结构简单、制造方便、成本低。。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例超窄多频带光学传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例超窄多频带光学传感器的制备流程图；
图3为本发明实施例一的超窄多频带光学传感器的三频带透射光谱图；
图4为本发明实施例二的超窄多频带光学传感器的四频带透射光谱图；
图5为本发明实施例三的超窄多频带光学传感器的折射率传感测试结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提一种超窄多频带光学传感器，极大地缩小了透射波谷的带宽及有效增加了透射波谷的数量，具有结构简单、成本低、灵敏度高、可调节且可复用等优点。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，一种超窄多频带光学传感器由下至上依次为第一高介电材料层1、金属层2、第二高介电材料层3以及光子晶体4。所述第一高介电材料层1、所述金属层2以及所述第二高介电材料层3构成膜堆积等离激元结构。所述第一高介电材料层1以及所述第二高介电材料层3的材料为硅(Si)、砷化镓等具有高折射率的材料。所述第一高介电材料层1以及所述第二高介电材料层3的厚度为10-40nm。所述金属层2为金、银或铜等材料，厚度为20nm。所述光子晶体4包括多个呈一维周期排列的条纹介质材料。所述光子晶体的周期P为400-850nm，厚度为100-240nm。所述条纹介质材料的宽度w为100-500nm。
如图2所示，制备步骤包括：1)在抛光的石英晶片上依次沉积第一高介电材料层、金属层以及第二高介电材料层；2)在所述第二高介电材料层均匀的涂覆一层光刻胶；3)采用电子束光刻的方法在所述第二高介电材料层上制备一维光刻胶条纹周期结构；4)采用磁控溅射仪在所述一维光刻胶条纹周期结构上沉积介质材料5；)采用Lift-off的方法去掉所述一维光刻胶条纹周期结构条纹上的介质材料；保留所述一维光刻胶条纹周期结构条纹间的条纹介质材料；6)采用去胶液将所述第二高介电材料层上的所述一维光刻胶条纹周期结构除去，完成制作。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
1)在本发明中，通过将等离激元结构和光子晶体整合，有效缩小了带宽、增加了超窄带数量，获得了最小带宽仅有2nm的超窄带，远小于现有研究报道中其他结构所展示的带宽；
2)本结构中主要采用的硅、砷化镓等高介电材料，在光的照射下，能够产生类似于等离激元的共振特性(即类等激元)，可有效地和入射光发生耦合作用，并进一步与金属层的表面等离激元发生耦合，产生多频带的超窄带透射波谷；
3)通过调节结构尺寸和优化材料参数可在可见-近红外波段实现多频带超窄带光传感；在光学传感、滤波及复用等领域都具有广泛的应用前景；结构简单、制造方便、成本低。
实施例一：
金属材料选用金，高介电材料选用硅且其厚度为30nm。光子晶体材料选用氧化铝，其周期为600nm，其构筑基元(介质材料)宽度为300nm、厚度为200nm。图3为此实施例下的超窄多频带光学传感器的透射光谱图。从图3可以看出，在641nm(λ1)、825nm(λ2)和1220nm(λ3)三处具有超窄的透射波谷，对应的带宽分别为9nm、16nm和36nm。
实施例二：
金属材料选用金，高介电材料选用硅且其厚度为30nm。光子晶体材料选用氧化铝，其周期为800nm，其构筑基元宽度为300nm、厚度为200nm。图4为此实施例下的超窄多频带光学传感器的透射光谱图。从图4可以看出，在775nm、803nm、1000nm和1424nm四处具有超窄透射波谷，对应的带宽分别为14、2nm、14nm和44nm。
实施例三：
在实施例一中制备的结构中填充不同折射率的材料，材料的折射率从1.00递增到1.20，对应图3中λ1、λ2和λ3的中心位置的波长随折射率改变的情况如图5所示。从图5中可以得出，这三个波谷对应的折射率灵敏度依次为404nm/RIU、320nm/RIU和182nm/RIU。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种超窄多频带光学传感器，其特征在于，所述超窄多频带光学传感器由下至上依次为第一高介电材料层、金属层、第二高介电材料层以及光子晶体；所述第一高介电材料层、所述金属层以及所述第二高介电材料层构成膜堆积等离激元结构；所述光子晶体为多个条纹介质材料组成的一维周期结构；
所述超窄多频带光学传感器的制备方法包括：在抛光的石英晶片上依次沉积第一高介电材料层、金属层以及第二高介电材料层；在所述第二高介电材料层均匀的涂覆一层光刻胶；采用电子束光刻的方法在所述第二高介电材料层上制备一维光刻胶条纹周期结构；采用磁控溅射仪在所述一维光刻胶条纹周期结构上沉积介质材料；采用Lift-off的方法去掉所述一维光刻胶条纹周期结构条纹上的介质材料；保留所述一维光刻胶条纹周期结构条纹间的条纹介质材料；采用去胶液将所述第二高介电材料层上的所述一维光刻胶条纹周期结构除去，完成制作。
2.根据权利要求1所述的超窄多频带光学传感器，其特征在于，所述第一高介电材料层以及所述第二高介电材料层的材料为高折射介电材料。
3.根据权利要求1所述的超窄多频带光学传感器，其特征在于，所述金属层的厚度为20nm。
4.根据权利要求1所述的超窄多频带光学传感器，其特征在于，所述第一高介电材料层以及所述第二高介电材料层的厚度为10-40nm。
5.根据权利要求1所述的超窄多频带光学传感器，其特征在于，所述光子晶体的周期为400-850nm。
6.根据权利要求1所述的超窄多频带光学传感器，其特征在于，所述光子晶体的厚度为100-240nm。
7.根据权利要求1所述的超窄多频带光学传感器，其特征在于，所述条纹介质材料的宽度为100-500nm。
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