CN110146468B - 一种圆形复合孔阵列结构表面等离子体光纤传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明设计了一种高灵敏度的圆形复合孔阵列结构的等离子体光纤传感器，主要由光纤衬底(3)和光纤端面传感体(1、2)构成。传感体包括金属膜以及设在金属薄膜上的N个圆形复合型金属孔阵列结构(1)，其中单个孔的结构为上下两对称圆环，并通过中心矩形相连接。圆形复合孔阵列贯穿金属膜(2)的上下表面，并周期性的排列在金属膜(2)上，在圆形复合孔中填充待测介质。本发明的传感器结构在近红外波段内具有高灵敏度特性，可以通过改变金属孔结构的相关参数达到有效调整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。基于本发明设计可以实现适用范围广、监测精度高、可调、易加工的高灵敏的光纤传感器。

Description

一种圆形复合孔阵列结构表面等离子体光纤传感器
(一)技术领域
本发明涉及微纳电子领域，属于光纤传感领域，具体涉及一种由表面等离子体共振引起的高灵敏度复合纳米孔阵列结构等离子光纤传感器。
(二)背景技术
表面等离子体(Surface Plasmon Polaritons,SPP)是一种由电磁光波照射到金、银等贵金属表面时激发其自由电子相互耦合作用引起集体谐振而形成的相干波。在共振激发下形成极强的电场和磁场，其传输规律为在水平方向上沿着金属表面进行传导，在垂直于金属/介质表面呈指数衰减，SPP相干波具有能量高度局域、电场近场增强等极其特殊的性质。
光学异常透射现象(Extraordinary Optical Transmission,EOT)。具体表现为：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1998年Ebbesen等人在研究银膜上的亚微米孔阵列的光学特性时，提出了亚波长圆形孔阵列的增强光透射现象。EOT的工作机制主要是通过光与金属-电介质界面产生的表面等离子体(SPP)的耦合作用来加强透射。
EOT现象是金属亚波长结构中表面波引起的异常光透射，基于EOT现象的传感特性具有高灵敏度、可实时监测、无标记、成本低等优点，在近红外、中红外、THZ和微波等波段都观察到了EOT现象，这使他成为新型传感器的研究方向之一，其物理机理是利用电介质的介电常数对EOT透射峰波长具有极其敏感的特性。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。
随着科技的更新与发展，信息技术深刻影响和改变人类的生活方式。与此同时，一些旧的传感技术已经满足不了人们对于高速信息传输及处理和监测能力的要求。人们迫切期望能够找寻新的物理机理及结构设计提高传感器的灵敏度，精度以及稳定性。基于EOT现象的光纤端面孔阵列结构光纤传感器具有高灵敏度、可实时监测、无标记、成本低、功耗低、可靠性高、可监控光谱频域宽等优点，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一种可行的技术方案。
(三)发明内容
本发明主要针对目前现有的光纤传感器灵敏度不高的问题，设计了一种在近红外波段具有高灵敏度的圆形复合孔阵列结构的表面等离子体光纤传感器。本发明通过以下技术方案解决上述问题：
一种在近红外波段具有高灵敏度的圆形复合孔阵列结构的表面等离子体光纤传感器，其主要由光纤体(衬底介质层)和光纤端面金属膜构成，在金属膜中，有N个周期性排列的圆形复合孔阵列结构贯穿整个金属膜，待测介质填充在圆形环复合孔阵列内。从而光纤体(衬底介质层)、金属膜、圆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，衬底介质层优选材料为二氧化硅；
上述方案中，为了获得较好的传感性能，金属膜厚度t取50nm；
上述方案中，优选的圆形复合孔阵列结构中周期p为500nm；
上述方案中，优选的圆形复合孔阵列结构中圆环外径R变化范围为85nm～100nm；
上述方案中，优选的圆形复合孔阵列结构中圆环内径r变化范围为50nm～70nm；
上述方案中，优选的圆形复合孔阵列结构中两圆环圆心间距长度I保持不变为固定值200；
上述方案中，优选的圆形复合孔阵列结构中矩形保持始终将上下两圆环连接起来，矩形长度随两圆环外径变化而变化；
上述方案中，优选的圆形复合孔阵列结构中矩形的宽度L变化范围为20nm～80nm；
上述方案中，优选的圆形复合孔阵列结构狭缝宽度d变化范围为20nm～40nm；
上述方案中，外界待测介质折射率n范围为1.00～1.40；
与现有等离子体传感器相比本发明的优点有：
1.本发明方案中，通过圆形的相互耦合，设置合理的结构参数可以得到一个高灵敏度特性的等离子体光纤传感器。
2.本发明方案中，通过改变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，易于制作，降低传感器的制作难度以及制作成本。
(四)附图说明
图1为本发明的一种高灵敏度圆形复合孔阵列结构的等离子体光纤传感器三维结构示意图。
图2为高灵敏度圆形复合孔阵列结构的等离子体光纤传感器的单个周期圆形复合孔的二维结构示意图。
图3为高灵敏度圆形复合孔阵列结构的等离子体光纤传感器采用不同矩形宽度L时透射率光谱图。
图4为高灵敏度圆形复合孔阵列结构的等离子体光纤传感器采用不同圆环内径时透射率光谱图。
图5为高灵敏度圆形复合孔阵列结构的等离子体光纤传感器采用不同圆环外径时透射率光谱图。
图6为高灵敏度圆形复合孔阵列结构的等离子体光纤传感器采用不同圆环狭缝宽度时透射率和背景折射率关系图。
图7为高灵敏度圆形复合孔阵列结构的等离子体光纤传感器不同介质折射率与灵敏度和透射率关系图。
图中标号为：1、圆形复合孔；2、金属膜；3、基底介质层；1-1、1-3为圆形复合孔的对称圆环部分；1-2圆形复合孔的中心矩形部分。
(五)具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明。
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，圆形复合孔阵列结构组成。基底介质3的材料选用SiO2,金属膜可以选用任何符合表面等离子体激发的金属，例如金、银等，以下选用金膜来说明高灵敏度圆形复合孔阵列结构的等离子体光纤传感器的透射率关系，金膜的厚度为50nm。N个圆形复合孔阵列由上下对称的圆形环孔和中间的矩形孔组成，并周期性的排列在金膜上，贯穿整个金膜的上下表面。中间的矩形孔长度由两圆环外径决定，使得矩形的上端连接至上圆环，矩形的下端连接至下圆环，将两圆环连接至互通状态。参见图2。
本发明工作机理：在圆形复合孔阵列内填充待测物质，平面光从基底介质上表面垂直入射，穿过金膜，从金膜上表面出射，当平面光入射到金属膜表面时，在圆环-矩形-圆环复合孔阵列结构中通过光与金属-电介质界面产生的表面等离体的耦合作用来加强透射，同时具有很好的频谱特性。
在本发明实例中每个单复合孔的周期即长和宽p都为500nm，两圆环圆心间距长度I保持不变为固定值I＝200，圆环外径R的变化范围为85nm～100nm，圆环内径r的变化范围为50nm～70nm，矩形宽度L的变化范围为20nm～80nm。圆环狭缝宽d的变化范围为20nm～40nm。
通过改变圆环内径、圆环外径、矩形宽度、狭缝宽度、金属膜材料等结构参数可以调节透射峰所在的位置和大小，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，下面结合具体应用实施例，对等离子体光纤传感器的使用效果得出如下结果：
图3为本发明不同矩形宽度L的透射率和波长的关系图，图中横坐标为波长，单位为nm，纵坐标为光透射率，即光的透射效率。图中画出了4种不同的曲线分别表示了当L为80nm、60nm、40nm、20nm时，等离激元光纤传感器的透射率光谱图，从图中可以明显得出结论：随着矩形宽度L的减小，光纤传感器透射峰逐步红移，透射峰所在的波长由1542nm增大到1879nm，并且透射率由88.7％逐步降低为84.1％。通过改变矩形宽度L可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为本发明在固定圆环外径R为90nm时，不同圆环内径r的透射率与波长关系，在途中画出了5种不同的曲线分别表示当r＝50nm、55nm、60nm、65nm、70nm时，等离子体光纤传感器的透射率光谱图，从途中可以得出结论；随着圆环内径的增大，光纤传感器透射峰逐步红移，透射峰所在的波长由1701nm增大到2055nm，并且透射率由85.1％逐步降低为81.5％。通过改变圆环内径r可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5为本发明在固定圆环内径r为65nm时，不同圆环外径R的透射率与波长关系，在途中画出了4种不同的曲线分别表示当R＝100nm、95nm、90nm、85nm、时，等离子体光纤传感器的透射率光谱图，从途中可以得出结论；随着圆环外径R的减小，光纤传感器透射峰逐步红移，透射峰所在的波长由1738nm增大到1955nm，并且透射率由86.9％逐步降低为82.3％。通过改变圆环外径R可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6为本发明不同圆环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，在图中采用五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，保持圆环的外径为R＝90nm，改变内径r调整狭缝d的宽度，分别为20nm、25nm、30nm、35nm、40nm。从图中可以得出结果，当狭缝宽度d＝25nm时，传感器达到最高灵敏度1136±41nm/RIU。狭缝宽度决定传感器灵敏度，可以根据实际要求选择相应的狭缝宽度实现传感器灵敏度和透射率的最优化。
2009年sandblad等在光纤末端设计了一种亚波长长条矩形状阵列的折射率传感器，该传感器的灵敏度达到195nm/RIU；2013年，yongkai wang等设计了一种X型亚波长孔阵列银膜结构，该传感器的透射率接近80％；2015年，zhang等发表了一种复合矩形亚波长孔阵列折射率传感器，该传感器的灵敏度达到178/RIU；2016年，zhi yuan对三角形孔阵的EOT现象进行了研究，得出结论三角形金属薄膜孔阵列在部分可见光波段和部分近红外波段(500nm-2000nm)具有增强光透射的现象。2018年，xiaogang liu等设计了一种H型金属孔阵列结构折射率传感器，该传感器的灵敏度达到389nm/RIU。
在上述的这些报道中，研究者分别设计一种孔结构，来研究亚波长金属孔阵列的EOT现象，虽然各个结构在传感性能上都有一定的优势，但是在某些方面上仍然有所不足，并限制了其应用的范围。例如，透射率不高或者是灵敏度低等不足，少有研究报道兼具高透射率和高灵敏度的亚波长周期性孔阵列结构，本文设计的结构透射率高于85％的同时传感器灵敏度达到1136±41nm/RIU，传感性能都优于以上参考结构。
以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，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 (10)

1.一种在近红外波段具有高灵敏度的圆形复合孔阵列结构的表面等离子体光纤传感器：该传感器主要由作为衬底介质层的光纤体、金属膜和圆形复合孔构成，其中，在金属膜上贯穿有N个圆形复合孔构成的周期性阵列结构，单个圆形复合孔由上下两个对称的圆环和连接两圆环的矩形孔组成，圆形复合孔内为待测介质，从而光纤体、金属膜、圆形复合孔阵列以及待测介质构成了一个传感体整体。
2.根据权利要求1所述的一种在近红外波段具有高灵敏度的圆形复合孔阵列结构的表面等离子体光纤传感器，其特征在于：衬底介质层采用SiO 2。
3.根据权利要求1所述的一种在近红外波段具有高灵敏度的圆形复合孔阵列结构的表面等离子体光纤传感器，其特征在于：金属膜为金膜且厚度为50nm。
4.根据权利要求1所述的一种在近红外波段具有高灵敏度的圆形复合孔阵列结构的表面等离子体光纤传感器，其特征在于：N个周期性的圆形复合孔结构中，单个圆形复合孔的上下两圆环圆心间距长度I保持不变，为固定值200nm。
5.根据权利要求1所述的一种在近红外波段具有高灵敏度的圆形复合孔阵列结构的表面等离子体光纤传感器，其特征在于：N个周期性的圆形复合孔结构中，单个圆形复合孔的圆环外径R变化范围为85nm～100nm。
6.根据权利要求1所述的一种在近红外波段具有高灵敏度的圆形复合孔阵列结构的表面等离子体光纤传感器，其特征在于：N个周期性的圆形复合孔结构中，单个圆形复合孔的圆环内径r变化范围为50nm～70nm。
7.根据权利要求1所述的一种在近红外波段具有高灵敏度的圆形复合孔阵列结构的表面等离子体光纤传感器，其特征在于：N个周期性的圆形复合孔结构中，单个圆形复合孔的矩形保持始终将上下两圆环连接起来，矩形长度随两圆环外径变化而变化。
8.根据权利要求1所述的一种在近红外波段具有高灵敏度的圆形复合孔阵列结构的表面等离子体光纤传感器，其特征在于：N个周期的圆形复合孔结构中，单个圆环复合孔的矩形宽度L变化范围为20nm～80nm。
9.根据权利要求1所述的一种在近红外波段具有高灵敏度的圆形复合孔阵列结构的表面等离子体光纤传感器，其特征在于：N个周期的圆形复合孔结构中，单个圆形复合孔的圆环狭缝宽度d的变化范围为20nm～40nm。
10.根据权利要求1所述的一种在近红外波段具有高灵敏度的圆形复合孔阵列结构的表面等离子体光纤传感器，其特征在于：圆形复合孔内待测介质折射率范围为1.00～1.40。
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