CN110763654B - 一种倾斜型高品质光学传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种倾斜型高品质光学传感器及其制备方法。该倾斜型高品质光学传感器由下及上依次设有金属基底层和超表面结构层；所述超表面结构层连接于所述金属基底层上表面，所述超表面结构层由半圆柱型腔体按周期排列组成。本发明的倾斜型高品质光学传感器是一种同时具有超高的S、FOM和FOM*的光学传感器，有两层结构，当入射光的倾斜角度为7.5°时，可获得带宽为1.3纳米的超窄带吸收；在对溶液中Na⁺(Cl^‑)离子的检测传感过程中，光谱S和FOM因子分别达到568nm/RIU(折射率单位)和436，FOM*因子同时达到907；最小检测极限也低至3.521×10^‑6RIU。因此，本发明的倾斜型高品质光学传感器在光学传感器方面具有广泛的应用前景。

Description

一种倾斜型高品质光学传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及光学传感器领域，具体涉及一种倾斜型高品质光学传感器及其制备方法。

背景技术

近年来，光学传感器迅速发展。在环境折射率传感的研究中，人们广泛地研究了两个用来比较和表征检测性能的参数：对环境折射率变化的灵敏度(S)和光谱的品质因子(FOM)。灵敏度(S)描述了光谱的波峰位置随环境折射率变化的关系，灵敏度的定义为S＝δλ/δn的定义(λ为光谱波峰的所在的光谱位置，n为环境折射率)。也就是说，S值越高，说明同一环境折射率变化下的光谱移动越大。通常，更高的光谱移动效率意味着更好的传感响应。品质因子用来描述精确测量的最小值，品质因子的定义为定义FOM＝S/FWHM，其中FWHM(full width at half maxima)表示共振谱宽的半最大值处的全宽度。一般来说，更高的S和更大的FOM意味着更好的传感性能，因为它们意味着对光谱位移和光强弱的高传感测量。因此，以往等离子体传感的研究几乎都集中在高S和FOM的实现上。然而，尽管人们对高S或FOM的实现进行了大量的研究，但这两个因素的同时实现仍然是一个挑战。另外，在这些传感器中，随着S和FOM的提高，光谱强度的变化变得非常微弱，这不可避免地导致了实际测量中信噪比的降低。在传感方面，利用相关强度变化值的FOM*作为评价这一点的另一个因子，证实了利用光电器件进行真实检测的可行性。从那以后，人们进行了一系列的研究，以开发同时实现S、FOM和FOM*高值的可行方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种倾斜型高品质光学传感器及其制备方法，旨在解决现有技术中其他光学传感器不能同时实现高值的S、FOM和FOM*的问题。

本发明提供的一种倾斜型高品质光学传感器，由下及上依次设有金属基底层和超表面结构层；所述超表面结构层连接于所述金属基底层上表面，所述超表面结构层由半圆柱型腔体按周期排列组成。

进一步地，所述半圆柱型腔体的材料为银，圆柱型腔体的厚度为60纳米。

进一步地，所述半圆柱型腔体以500纳米的周期排列。

进一步地，所述金属基底层的材料为银，其厚度不小于200纳米。所述金属基底层厚度超过200纳米，能够完全抑制光的透射。

进一步地，所述金属基底层的厚度为200纳米。

上述的倾斜型高品质光学传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、准备洁净的衬底；

步骤2、在所述衬底上运用镀膜技术蒸镀一层银膜，形成金属基底层；

步骤3、在所述金属基底层上运用镀膜技术蒸镀一层二氧化硅膜；

步骤4、利用聚焦离子束刻蚀技术将二氧化硅膜刻蚀成按周期排列的半圆柱结构；

步骤5、在所述半圆柱结构上运用镀膜技术蒸镀一层银膜，形成包裹着所述半圆柱结构的银层；

步骤6、浸入到氢氟酸溶液中腐蚀掉所述半圆柱结构，得到倾斜型高品质光学传感器。

进一步地，所述衬底为玻璃衬底。

本发明的增益效果如下：本发明的倾斜型高品质光学传感器是一种同时具有超高的S、FOM和FOM*的光学传感器，有两层结构，当入射光的倾斜角度为7.5°时，可获得带宽为1.3纳米的超窄带吸收；在对溶液中Na⁺(Cl^-)离子的检测传感过程中，光谱S和FOM因子分别达到568nm/RIU(折射率单位)和436，FOM*因子同时达到907；最小检测极限也低至3.521×10^-6RIU。因此，本发明的倾斜型高品质光学传感器在光学传感器方面具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例中倾斜型高品质光学传感器的立体结构示意图。

图2为本发明实施例中倾斜型高品质光学传感器的剖面结构示意图。

图3为本发明实施例中倾斜型高品质光学传感器在入射光垂直入射时的吸收光谱图。

图4为本发明实施例中倾斜型高品质光学传感器在入射光入射角度为7.5°下对应的吸收光谱图。

图5为吸收光谱图中波峰的位置随环境折射率(Na⁺浓度)变化的关系图。

在图2中，1表示金属基底层，2表示超表面结构层，3表示半圆柱型腔体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

本发明的倾斜型高品质光学传感器可以按照以下步骤制备：

步骤1、准备洁净的玻璃衬底；

步骤2、镀膜，在步骤1的洁净玻璃衬底上运用镀膜技术蒸镀一层银膜，形成金属基底层；

步骤3、镀膜，在步骤2的金属基底层上运用镀膜技术蒸镀一层二氧化硅膜；

步骤4、刻蚀，利用聚焦离子束刻蚀技术将步骤3的二氧化硅膜刻蚀成半圆柱二氧化硅结构；

步骤5、镀膜，在步骤4的半圆柱二氧化硅结构上运用镀膜技术蒸镀一层银膜，形成包裹着半圆柱二氧化硅结构的银壳；

步骤6、刻蚀，将步骤5得到的样品浸入氢氟酸溶液中腐蚀掉半圆柱二氧化硅结构，得到倾斜型高品质光学传感器。

如图1和图2所示，得到的倾斜型高品质光学传感器，由下及上依次设有金属基底层1和超表面结构层2；超表面结构层2连接于金属基底层1上表面，超表面结构层2由半圆柱型腔体3按周期排列组成。半圆柱型腔体以500纳米的周期排列，每个半圆柱型腔体3是中空的半圆柱体，半圆柱型腔体3的厚度为60纳米。

超表面结构层2的谐振腔与入射光具有强的光场耦合作用，当入射光的倾斜角度为7.5°时，可获得带宽为1.3纳米的超窄带吸收。倾斜型高品质光学传感器可以同时具有超高的S、FOM和FOM*，获得了高品质的环境折射率光学传感器。

图3是本实施例的倾斜型高品质光学传感器在入射光正入射时的吸收光谱图，当入射光以7.5度的角度斜入射时，产生了一个非常窄(半高宽为1.3纳米)的吸收峰(图4所示)。

随着离子(Na⁺)浓度的增加，本实施例倾斜型高品质光学传感器的吸收光谱波峰在波长范围内呈现连续的红移。图5显示了波长位置作为折射率和离子浓度的函数。波长位移与溶液折射率或离子浓度呈现出良好的线性关系。拟合的S为568nm/RIU。同时，在传感测量过程中，使用最新的商用光谱分析仪(Agilent 96146B)以2pm的波长分辨率监测光谱位移，离子浓度变化的检测限可低至0.002％。体感最小检出限为3.521×10^-6RIU。光谱FOM也高达436，同时FOM*也高达907。此外，当仅引入1％浓度变化时，光谱强度变化高达57％。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种倾斜型高品质光学传感器，其特征在于：由下及上依次设有金属基底层和超表面结构层；所述超表面结构层连接于所述金属基底层上表面，所述超表面结构层与所述金属基底层上表面之间构成半圆柱型腔体，所述半圆柱型腔体呈一维周期排列；所述半圆柱型腔体的材料为银，半圆柱型腔体的厚度为60纳米；所述半圆柱型腔体以500纳米的周期排列；所述金属基底层的材料为银，所述金属基底层的厚度为200纳米。

2.根据权利要求1所述的倾斜型高品质光学传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、准备洁净的衬底；

步骤2、在所述衬底上运用镀膜技术蒸镀一层银膜，形成金属基底层；

步骤3、在所述金属基底层上运用镀膜技术蒸镀一层二氧化硅膜；

步骤4、利用聚焦离子束刻蚀技术将二氧化硅膜刻蚀成按周期排列的半圆柱结构；

步骤5、在所述半圆柱结构上运用镀膜技术蒸镀一层银膜，形成包裹着所述半圆柱结构的银层；

步骤6、浸入到氢氟酸溶液中腐蚀掉所述半圆柱结构，得到倾斜型高品质光学传感器。

3.根据权利要求2所述的倾斜型高品质光学传感器的制备方法，其特征在于：所述衬底为玻璃衬底。

Images