CN112161954A - 一种基于面外格点共振的等离激元折射率传感器 - Google Patents

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杨宏艳
陈昱澎
刘孟银
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55—Specular reflectivity
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Abstract

本发明为涉及纳米集成光学技术领域的一种基于面外格点共振的等离激元折射率传感器。其特征是：本发明整体为在介质基板上生长周期排列的格点阵列，该阵列由金属‑介质‑基底(从上到下)组成。上述光学器件在对称环境中性能优越，在共振峰处拥有及窄的线宽。该特点可用来实现窄带滤波及高灵敏度生物传感等功能，具有巨大的应用价值。

Description

一种基于面外格点共振的等离激元折射率传感器
(一)技术领域
本发明涉及的是一种基于面外格点共振的等离激元折射率传感器，可用于窄线宽滤波器、生化传感器等，属于纳米集成光学技术领域。
(二)背景技术
等离子体纳米结构最近吸引了很多人的注意，它展示了非凡的光传输特性、完美透镜、可见波长的磁响应以及新光学元件的广泛应用前景。然而，金属纳米粒子的广泛应用以及由此产生的复合“纳米分子”，却受到局部化等离子体共振(LPR)的广泛应用的阻碍。有人认为，低质量的LPR是单个金属纳米颗粒的普遍特性。虽然广泛的等离子体激元共振可能有利于某些应用，例如场放大，但许多其他应用，如纳米激光器、纳米透镜、负折射率超材料、生物传感等，将从更高质量因子Q的等离子体共振中获得强大的提升。最简单的能支持局域表面等离子体(LSP)的等离子体结构，即限制在金属纳米结构中的导电带电子的集体振荡，是离散的金属纳米粒子。单个纳米颗粒的LSP共振波长可以通过改变金属类型、电介质环境、尺寸和形状来调节；但是，由于等离子体子寿命短(2–10fs)，线宽(>50nm)。等离子体子能量的快速耗尽极大地限制了孤立纳米颗粒所能获得的局域光场的强度。
另一种控制金属纳米粒子等离激元线宽的方法是将它们排列成一维或二维阵列。纳米颗粒阵列显示出与孤立纳米颗粒截然不同的光学响应，特别是当光栅阶数从辐射级开始发生转变，这是因为一个纳米颗粒散射的光能可以被相邻的纳米颗粒作为等离子体子收集，而不是作为自由空间光衰减。耦合偶极子理论预测，一维阵列中的强耦合纳米颗粒可以通过抑制辐射损耗产生极窄的晶格等离子体共振。实验已经报道了金和银纳米颗粒二维阵列中晶格等离子体共振的证据，其中平面结构(晶格间距、纳米颗粒直径、纳米颗粒形状等)通过纳米颗粒之间的平面内偶极相互作用调节晶格共振。由于面内偶极子散射的能量并没有很强地限制在纳米颗粒阵列的平面内，等离子体激元振荡能量的很大一部分辐射到自由空间，而没有与相邻的纳米颗粒耦合。
为解决上述问题，与以往利用平面内结构变化来调节光学特性的工作相比，我们控制平面外结构以形成暗的、亚辐射的晶格等离激元模式，这些模式可以通过改变入射激发角进行连续调谐。由于窄(亚辐射)面外晶格等离子体共振和宽(超辐射)面内等离子体子共振相互干扰，强耦合纳米颗粒阵列呈现出Fano型不对称峰和倾角谱线。时域有限差分(FDTD)模拟表明，由于等离子体子能量的辐射衰减被纳米粒子之间的面外偶极子相互作用抑制，二维阵列中大尺寸纳米颗粒上的热点在亚辐射等离子体子波长处最强。
(三)发明内容
本发明的目的在于设计一种结构简单、易于集成的基于面外格点共振的等离激元折射率传感器。根据阵列纳米粒子在斜入射下表现出具有极窄共振峰的光学响应特性以及在介电基底之上添加一层材料，可使更多的局域电磁场分布在传感器周围，而不是局域到衬底内部，这极大地提高了在实际传感应用中折射率的灵敏度。
本发明的目的是这样实现的：
具体的，本发明提出一种基于面外格点共振的等离激元折射率传感器。其特征是：它由生长在基底(1)上的介质纳米柱(2)和金属纳米柱(3)组成。所述传感器中介质纳米柱(2)和金属纳米柱(3)上下堆叠进行组合，且金属纳米柱(3)位于介质纳米柱之上；组合后的纳米柱沿X,Y方向周期阵列排列于基底之上；设定光源为平行于X轴偏振在XZ平面内以θ角度入射。
其中，所述的周期排列的纳米阵列周期PX和PY相等取400nm～500nm之间。如图5所示，当周期为400nm时具有最窄的半峰全宽(FWHM＝19nm)。
进一步，所述的金属纳米柱选用贵金属金(Au),介质柱的材料选择折射率为1.52的BK-7玻璃。
进一步，介质纳米柱(2)和金属纳米柱(3)的厚度Hm和Hd固定尺寸为100nm，其中上层金属纳米柱的半径R_1取值范围为80nm～100nm之间，介质纳米柱的半径R_2固定尺寸为80nm不变。
进一步，所述的光源入射角度θ取值范围为0°～20°。当选取角度为0°直入射时，无法激发面外格点共振，故在普线上没有及窄的格点共振峰；当选取角度为15°时，此时共振峰线宽达到最窄，此时FWHM＝8nm。
进一步，所述的传感器为实现折射率传感的功能，如图6所示，设置传感折射率变化区间为1.45～1.525之间。随着折射率的增大，共振峰逐渐发生红移现象。
最后经计算，在折射率变化区间之内，共振波长(RW)和折射率变化量(△n)的线性关系可表达为：
RW＝773+369*Δn
在此区间内的折射率灵敏度：S＝369nm/RIU.
(四)附图说明
图1为本发明三维周期阵列结构示意图。
图2为本发明单个周期结构的三维示意图。
图3为本发明光源入射角θ在0°～20°范围内变化得到的反射光谱图。
图4为本发明在80nm～100nm范围内改变上层金属纳米柱半径R_1得到的反射光谱图。
图5为本发明在400nm～500nm范围内改变阵列周期P得到的反射光谱图。
图6为本发明在改变环境折射率在范围1.45～1.525内得到的反射光谱图。
图7位本发明在环境折射率在范围1.45～1.525内拟合得到的传感灵敏度函数图。
(五)具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
图1给出了一种基于面外格点共振的等离激元折射率传感器实施例。它由生长在基底(1)上的介质纳米柱(2)和金属纳米柱(3)组成。所述传感器中介质纳米柱(2)和金属纳米柱(3)上下堆叠进行组合，且金属纳米柱(3)位于介质纳米柱之上；组合后的纳米柱沿X,Y方向周期阵列排列于基底之上；设定光源为平行于X轴偏振在XZ平面内以θ角度入射。
其中，所述的周期排列的纳米阵列周期PX和PY相等取400nm～500nm之间。由图5所示，随着周期P的增大共振峰发生微弱的红移现象，这意味着共振峰的位置受到对周期P的大小变化并不敏感。比较明显的是，随着局域表面等离子体共振和面外格点共振的耦合强度下降。当周期P达到500nm时，共振峰几乎消失。
进一步，所述的金属纳米柱选用贵金属金(Au),介质柱的材料选择折射率为1.52的BK-7玻璃。
进一步，介质纳米柱(2)和金属纳米柱(3)的厚度Hm和Hd固定尺寸为100nm，其中上层金属纳米柱的半径R_1取值范围为80nm～100nm之间，介质纳米柱的半径R_2固定尺寸为80nm不变。如图4所示，随着上层金属纳米柱的半径的增加，面外格点共振激发波长未发生偏移，共振峰略微变窄。变化明显的是共振峰的右侧反射率最高点随着半径的增加而上升且发生红移，这使得共振峰的半宽全高增大。
进一步，所述的光源入射角度θ取值范围为0°～20°。如图3所示，随着θ的逐渐增大格点阵列共振强度越来越大。在θ为15°时，半宽全高仅为8nm。与一般的局域表面等离子体共振的半峰全宽相比，提升了一个数量级。
最后，所述的传感器为实现折射率传感的功能，设置传感折射率变化区间为1.45～1.525之间。经计算，在折射率变化区间之内，共振波长(RW)和折射率变化量(Δn)的线性关系可表达为：
RW＝773+369*Δn
在此区间内的折射率灵敏度：S＝369nm/RIU.

Claims (6)

1.一种基于面外格点共振的等离激元折射率传感器。其特征是：它由生长在基底(1)上的介质纳米柱(2)和金属纳米柱(3)组成。所述传感器中介质纳米柱(2)和金属纳米柱(3)上下堆叠进行组合，且金属纳米柱(3)位于介质纳米柱之上；组合后的纳米柱沿X,Y方向周期阵列排列于基底之上；设定光源为平行于X轴偏振在XZ平面内以θ角度入射。
2.根据权利要求1所述的一种基于面外格点共振的等离激元折射率传感器，其特征是：所述的周期排列的纳米阵列周期PX和PY相等取400nm～500nm之间。
3.根据权利要求1所述的一种基于面外格点共振的等离激元折射率传感器，其特征是：所述的金属纳米柱选用贵金属金(Au),介质柱的材料选择折射率为1.52的BK-7玻璃。
4.根据权利要求1所述的一种基于面外格点共振的等离激元折射率传感器，其特征是：介质纳米柱(2)和金属纳米柱(3)的厚度Hm和Hd固定尺寸为100nm，其中上层金属纳米柱的半径R_1取值范围为80nm～100nm之间，介质纳米柱的半径R_2固定尺寸为80nm不变。
5.根据权利要求1所述的一种基于面外格点共振的等离激元折射率传感器，其特征是：所述的光源入射角度θ取值范围为0°～20°。
6.根据权利要求1所述的一种基于面外格点共振的等离激元折射率传感器，其特征是：所述的传感器为实现折射率传感的功能，设置传感折射率变化区间为1.45～1.525之间。
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