CN112816438A - 一种基于全介质toroidal模的Fano共振传感器 - Google Patents

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王道凡
朱润泽
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Abstract

本发明公开了一种基于全介质toroidal模的Fano共振传感器，通过若干组所述磁环偶极子单元周期阵列，同时由于所述磁环偶极子单元结构是全介质的，没有焦耳损耗，解决了非辐射损耗问题，即焦耳损耗问题；而磁偶极子相互共振耦合形成磁环形偶极子共振模式，此时的电磁场被局域在环形空间内，因而辐射损耗较小，解决了辐射损耗问题，产生了高品质因子Fano共振，磁环形偶极子的形成，有利于电磁场的增强，增强了光与物质的相互作用，对周围媒介环境敏感，进一步增强传感器的灵敏度。

Description

一种基于全介质toroidal模的Fano共振传感器
技术领域
本发明涉及光学传感器技术领域，尤其涉及一种基于全介质toroidal模的Fano共振传感器。
背景技术
生物化学传感技术是在大学科生命科学中发展出来的重要技术，成为当前科学研究的热点。目前，以化学法为主要方法来检测生物分子的技术，面临操作繁琐和环境要求高的问题，而且周期较长，难以适应当今市场的要求。
Fano共振是由于两种模式的电磁本征模干涉造成的，例如宽谱和窄谱，或者说连续态和离散态的干涉产生的，产生的谱线为不对称尖锐的线型。Fano共振具有高品质因子以及大局域场增强的特点，有利于光与物质的相互作用，且共振特性对周围媒介环境极其敏感，对于高灵敏度的生物传感器具有很高的应用价值。然而，基于金属纳米结构的Fano共振的传感器，往往品质因子较低，其主要原因在于这样的传感装置面临辐射损耗和焦耳损耗的问题，造成的共振谱线较宽。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于全介质toroidal模的Fano共振传感器，旨在解决现有技术中的Fano共振传感器存在辐射损耗和焦耳损耗较多的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的一种基于全介质toroidal模的Fano共振传感器，包括若干组磁环偶极子单元，若干组所述磁环偶极子单元呈周期阵列，所述磁环偶极子单元包括介质板衬底、第一介质螺旋结构和第二介质螺旋结构，所述第一介质螺旋结构和所述第二介质螺旋结构均嵌设在所述介质板衬底上，所述第一介质螺旋结构和所述第二介质螺旋结构的中心在同一条竖直线段上，且基于线段的中点呈中心对称布置。
其中，所述第一介质螺旋结构和所述第二介质螺旋结构均为矩形螺旋线圈，矩形厚度与所述介质板衬底厚度相同，所述介质板衬底厚度的范围值为400～500nm。
其中，所述第一介质螺旋结构为从内向外延展的逆时针螺旋，圈数N为2.5，所述第二介质螺旋结构的形状为所述第一介质螺旋结构绕原点旋转180°。
其中，所述第一介质螺旋结构和所述第二介质螺旋结构的相邻螺旋臂的间距g的范围值为16～30nm，螺旋臂的臂宽w的范围值为30～50nm，内半径r的范围值为0～10nm，外半径R的范围值为170～230nm，螺旋增长率b由相邻螺旋臂的间距g与螺旋臂的臂宽w之和除以2π确定。
其中，所述磁环偶极子单元沿x轴和y轴排布的周期p小于工作波段的近红外波长。
其中，所述第一介质螺旋结构和所述第二介质螺旋结构的介电常数值相等且大于10，所述介质板衬底的介电常数小于所述第一介质螺旋结构和所述第二介质螺旋结构的介电常数，且大约等于2.25。
本发明的一种基于全介质toroidal模的Fano共振传感器，通过若干组所述磁环偶极子单元周期阵列，同时由于所述磁环偶极子单元结构是全介质的，没有焦耳损耗，解决了非辐射损耗问题，即焦耳损耗问题；而磁偶极子相互共振耦合形成磁环形偶极子共振模式，此时的电磁场被局域在环形空间内，因而辐射损耗较小，解决了辐射损耗问题，产生了高品质因子Fano共振，磁环形偶极子的形成，有利于电磁场的增强，增强了光与物质的相互作用，对周围媒介环境敏感，进一步增强传感器的灵敏度。
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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的一种基于全介质toroidal模的Fano共振传感器的二维单元结构示意图。
图2是本发明的实施例在1000-1300nm的透射谱。
图3是本发明的实施例xoy截面的近场分布图。
图4是本发明的实施例在不同折射率媒质中的透射谱。
图5是本发明的实施例谐振波长移动(WS)随着折射率的增加关系图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1，本发明提供了一种基于全介质toroidal模的Fano共振传感器，包括若干组磁环偶极子单元，若干组所述磁环偶极子单元呈周期阵列，所述磁环偶极子单元包括介质板衬底、第一介质螺旋结构和第二介质螺旋结构，所述第一介质螺旋结构和所述第二介质螺旋结构均嵌设在所述介质板衬底上，所述第一介质螺旋结构和所述第二介质螺旋结构的中心在同一条竖直线段上，且基于线段的中点呈中心对称布置。
所述第一介质螺旋结构和所述第二介质螺旋结构均为矩形螺旋线圈，矩形厚度与所述介质板衬底厚度相同，所述介质板衬底厚度的范围值为400～500nm。
所述第一介质螺旋结构为从内向外延展的逆时针螺旋，圈数N为2.5，所述第二介质螺旋结构的形状为所述第一介质螺旋结构绕原点旋转180°。
所述第一介质螺旋结构和所述第二介质螺旋结构的相邻螺旋臂的间距g的范围值为16～30nm，螺旋臂的臂宽w的范围值为30～50nm，内半径r的范围值为0～10nm，外半径R的范围值为170～230nm，螺旋增长率b由相邻螺旋臂的间距g与螺旋臂的臂宽w之和除以2π确定。
所述磁环偶极子单元沿x轴和y轴排布的周期p小于工作波段的近红外波长。
所述第一介质螺旋结构和所述第二介质螺旋结构的介电常数值相等且大于10，所述介质板衬底的介电常数小于所述第一介质螺旋结构和所述第二介质螺旋结构的介电常数，且大约等于2.25。
进一步地，本发明还提供了一种基于全介质toroidal模的Fano共振传感器的具体实施例，实施例由两个高介电常数的介质纳米硅螺旋结构组成，设置在二氧化硅玻璃衬底上，单元硅介质螺旋包括1号硅纳米螺旋和2号硅纳米螺旋。需要检测的外部分析媒介包围在硅纳米螺旋的周围及介质螺旋的上表面，可以是气体，酒精、水等液体。入射光(覆盖900-1500纳米波长的宽谱光源，如白光源)波垂直入射到传感器上，其电场沿着x方向极化，波矢k沿着-z方向。
两个介质纳米硅螺旋结构在二氧化硅玻璃衬底上，玻璃衬底的厚度为400nm，折射率为1.45；螺旋臂宽为w＝45nm，相领臂的间距为g＝21nm,内半径为r＝5nm，外半径为R＝210nm，两螺旋中心的距离为d＝420nm，螺旋增长率b为(w+g)/(2*pi)。螺旋介质的相对介电常数为11.9，周期大小为Px＝Py＝P＝900nm,小于传感器工作光波的波长。
请参阅图2，使用电磁仿真软件仿真得到的本实施例的全介质超材料的传感装置在1000-1300nm的透射谱，其中出现的三个谐振TD1、GD、TD2是我们关注的谐振，由图3的近电场分布可知，TD1、TD2形成两个反向的环形电场，箭头方向是电场方向，可知TD1、TD2处形成了磁环形偶极矩，TD1、TD2的Fano共振是磁环形偶极共振占主导地位与其它多极干涉造成的，GD谐振处的反向环形磁场分布，箭头表示磁场方向，由此可知GD谐振处是电环形偶极谐振起主要作用。
请参阅图4，所示为本实施例所述的硅全介质螺旋纳米结构传感器在不同分析物气体(厚度为215nm,覆盖在硅螺旋结构的周围)折射率媒质中的透射谱，在整个折射率范围内，激发的环形偶极子谐振具有足够窄的线宽和足够大的振幅，可以精确地检测谐振位移，这种效果可以作为一种传感机制。在周围空气媒质的折射率分别为1.02、1.06时，TD1、TD2、GD谐振模式的Fano共振的最小透射率的波长分别对应为1096.9nm和1098.5nm、1272nm和1278.6nm、1180.2nm和1186.3nm；故而该传感器在TD1、TD2、GD谐振模式的灵敏度分S别为40nm/RIU、165nm/RIU、152.5nm/RIU。此时的Fano共振半高宽FWHM分别为1.5nm、4.2nm、0.2nm，故而传感器的品质因数FoM＝S/FWHM分别为27、39、763。
请参阅图5，所示为本实施例所述的硅全介质螺旋纳米结构传感器的传感特性曲线。谐振波长移动(WS)定义为Wn-Wn0,采用分析物的不同折射率计算的，其中Wn是折射率为n的共振波长，Wn0是折射率为n0＝1的空气的共振波长，可以清楚地观察到WS随折射率的增加呈线性增加。对于折射率传感器，灵敏度(S)定义为分析物折射率变化引起的共振WS。当折射率从1.00增加到1.06时，该传感器的灵敏度S可以计算为WS的线性拟合函数的斜率，拟合函数的数据是不同分析物在谐振谷的值，拟合的函数的斜率即为传感器的灵敏度S，TD1,TD2,GD的灵敏度S分别为为40nm/RIU,152.5nm/RIU,152.5nm/RIU。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种基于全介质toroidal模的Fano共振传感器，其特征在于，
包括若干组磁环偶极子单元，若干组所述磁环偶极子单元呈周期阵列，所述磁环偶极子单元包括介质板衬底、第一介质螺旋结构和第二介质螺旋结构，所述第一介质螺旋结构和所述第二介质螺旋结构均嵌设在所述介质板衬底上，所述第一介质螺旋结构和所述第二介质螺旋结构的中心在同一条竖直线段上，且基于线段的中点呈中心对称布置。
2.如权利要求1所述的基于全介质toroidal模的Fano共振传感器，其特征在于，
所述第一介质螺旋结构和所述第二介质螺旋结构均为矩形螺旋线圈，矩形厚度与所述介质板衬底厚度相同，所述介质板衬底厚度的范围值为400～500nm。
3.如权利要求2所述的基于全介质toroidal模的Fano共振传感器，其特征在于，
所述第一介质螺旋结构为从内向外延展的逆时针螺旋，圈数N为2.5，所述第二介质螺旋结构的形状为所述第一介质螺旋结构绕原点旋转180°。
4.如权利要求3所述的基于全介质toroidal模的Fano共振传感器，其特征在于，
所述第一介质螺旋结构和所述第二介质螺旋结构的相邻螺旋臂的间距g的范围值为16～30nm，螺旋臂的臂宽w的范围值为30～50nm，内半径r的范围值为0～10nm，外半径R的范围值为170～230nm，螺旋增长率b由相邻螺旋臂的间距g与螺旋臂的臂宽w之和除以2π确定。
5.如权利要求4所述的基于全介质toroidal模的Fano共振传感器，其特征在于，
所述磁环偶极子单元沿x轴和y轴排布的周期p小于工作波段的近红外波长。
6.如权利要求5所述的基于全介质toroidal模的Fano共振传感器，其特征在于，
所述第一介质螺旋结构和所述第二介质螺旋结构的介电常数值相等且大于10，所述介质板衬底的介电常数小于所述第一介质螺旋结构和所述第二介质螺旋结构的介电常数，且大约等于2.25。
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