CN114166799A - 一种基于非对称纳米结构完美吸收体的折射率传感器、传感测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于非对称纳米结构完美吸收体的折射率传感器、传感测试装置及方法。本发明折射率传感器，包括基底、金膜、间隔层、纳米弯月阵列；金膜蒸镀在基底上，用于消除透射；间隔层设置在金膜上，用于间隔金膜与纳米弯月阵列；纳米弯月阵列设置在间隔层上，当光照射与纳米弯月阵列发生共振时，激发局域表面等离激元共振偶极模或高阶模。本发明通过控制改变入射光的偏振，利用非对称纳米弯月完美吸收体选择性的激发出不同的高阶局域表面等离激元共振模，该类高阶等离激元模式具有较小的辐射，并且由完美吸收的性质使折射率传感器利用了日常生活中不可避免的损耗，降低了透射使其有较高的吸收，以获得窄带光谱提高传感器件检测灵敏度的目的。
Description
技术领域
本发明涉及微纳传感器技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于非对称纳米结构完美吸收体的折射率传感器、传感测试装置及方法。
背景技术
随着现代信息技术的向前发展，器件的微型化、高度集成化是这一技术进步的必然要求。然而基于介质材料的纳米结构与光子的作用难以突破衍射极限的限制，所以如何获得突破衍射极限的各种纳米器件是这一研究的重点。
局域表面等离激元(Localized surface plasmon,LSP)，是亚波长金属结构内自由电子与入射的电磁场之间的相互作用，当自由电子与光场发生共振时就产生了局域表面等离激元，它在光谱范围内表现出了强烈的吸收和散射的特性，由此表现出了许多新颖的物理学性质。利用表面等离激元的局域特性，可以突破传统光学中所不能克服的衍射极限，实现纳米尺度上对光的操控。
折射率是各种材料的本征特性，是可以进行物质之间检测的一个重要参数。目前常见的光学折射率传感器有：光纤传感器，基于金属材料的传播型等离激元传感器，基于金属材料的局域型等离子激元传感器，基于介质的传播型光学传感器，基于介质的局域型光学传感器。由于传统的光纤传感器传感精度低、稳定性差等缺点，不能很好的满足实际需要，而基于等离激元传感器的尺寸小，功耗低，稳定性好等优点，已经引起了人们的重视。
发明内容
根据上述提出的技术问题，本发明提供一种基于非对称纳米结构完美吸收体的折射率传感器、传感测试装置及方法。本发明通过控制改变入射光的偏振，利用非对称纳米弯月完美吸收体选择性的激发出不同的高阶局域表面等离激元共振模，该类高阶等离激元模式具有较小的辐射，并且由完美吸收的性质使折射率传感器利用了日常生活中不可避免的损耗，降低了透射使其有较高的吸收，以获得窄带光谱提高传感器件检测灵敏度的目的。
本发明采用的技术手段如下：
一种基于非对称纳米结构完美吸收体的折射率传感器，包括：基底、金膜、间隔层、纳米弯月阵列；其中：
所述金膜，蒸镀在所述基底上，用于消除透射；
所述间隔层，设置在所述金膜上，用于间隔所述金膜与所述纳米弯月阵列；
所述纳米弯月阵列，设置在所述间隔层上，当光照射与纳米弯月阵列发生共振时，激发局域表面等离激元共振偶极模或高阶模。
进一步地，所述纳米弯月阵列呈周期性非对称排布，且周期可任意选择。
进一步地，所述纳米弯月阵列中的纳米弯月的材料、内圆直径、内径和外径差以及纳米弯月尖端的圆切半径均具备选择性，能够选择性地感应出不同的高阶等离激元共振模式，并且能实现极窄带宽、极强电磁场增强的高阶等离激元的激发。
进一步地，所述纳米弯月的材料采用折射率为负的贵金属，包括但不限于金、银、铂、铝中的一种或多种。
进一步地，所述金膜的厚度为50～150nm；所述间隔层厚度为20～100nm；所述纳米弯月的厚度为40～100nm。
进一步地，所述间隔层为绝缘体或半导体，包括但不限于SiO2、MgF2。
进一步地，所述间隔层使上层的所述纳米弯月阵列与下层的金膜各自形成反向平行电流，形成环路电流腔，循环电流产生一个磁矩，与入射光的磁场相互作用。
本发明还提供了一种基于上述折射率传感器的传感测试装置，包括：折射率传感器、光源、反射镜、光谱仪、传感器腔室、溶液流入口以及溶液流出口；其中：
所述光源由反射镜反射到所述折射率传感器，由所述光谱仪所接收；
所述折射率传感器设置在所述传感器腔室内，且被所述传感器腔室包围；
所述溶液流入口和溶液流出口分别开设在所述传感器腔室顶部的两端，待测液体从所述溶液流入口流入，经过所述折射率传感器测试后从所述溶液流出口流出。
本发明还提供了一种基于上述传感测试装置的测试方法，包括：
S1、获取所述折射率传感器在周围环境为空气(n＝1)时的反射率：
设置周围环境为空气(n＝1)，光源垂直入射且光的偏振方向为C偏振，入射光照射到所述折射率传感器上，由所述折射率传感器接收后，将反射光反射到反射镜上，最后由光谱仪接收；
S2、获取所述折射率传感器在周围环境为水(n＝1.312)时的反射率：
将周围环境由空气(n＝1)改变为水(n＝1.312)，光源垂直入射且光的偏振方向为C偏振，入射光照射到所述折射率传感器上，由所述折射率传感器接收后，将反射光反射到反射镜上，最后由光谱仪接收；
S3、根据以下公式计算FOM*：
FOM*＝max|(dI(λ)/dn(λ))/I(λ)|
其中，dI(λ)/I(λ)是由折射率变化dn(λ)引起的固定波长处的相对强度变化；I(λ)对应于FOM*达到最大值时的强度；
S4、对于特定的应用，为空气以外的周围介质设计完美的吸收率。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的基于非对称纳米结构完美吸收体的折射率传感器，解决了在传统光学领域中，基于介质材料的纳米结构对光子的作用难以突破衍射极限的限制，使该传感器可以实现在纳米尺度上进行检测。
2、本发明提供的基于非对称纳米结构完美吸收体的折射率传感器，结构简单，制备容易，可以选择性地感应出不同的高阶等离激元共振模式，并且能实现极窄带宽、极强电磁场增强的高阶等离激元的激发。结果表明，该等离子体器件能产生90％以上的吸收率，并且对横电(TE)和横磁(TM)结构在很宽的入射角范围内都保持高度的吸收率。
3、本发明提供的基于非对称纳米结构完美吸收体的折射率传感器，在共振时，两层之间的局域电磁场有很强的增强作用。电磁能量可以有效地限制在中间的间隔层中，因此没有光被反射回来。在光谱中产生了明显的反射率下降，几乎下降至零强度，因此可以达到接近100％的吸收。
4、本发明提供的基于非对称纳米结构完美吸收体的折射率传感器，可以在共振时激发高阶等离激元共振模。由于高阶模式具有辐射小，共振波长位于可见光波范围内的优点，并且由完美吸收的性质使本发明折射率传感器利用了日常生活中不可避免的损耗，实现了窄带共振，提高了传感器的灵敏度。
基于上述理由本发明可在微纳传感器等领域广泛推广。
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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明基于非对称纳米结构完美吸收体的折射率传感器的几何结构截面图。
图2为本发明实施例提供的在光源垂直入射且入射光偏振方向平行于纳米弯月长轴时，折射率传感器接收到空气时的光谱图。
图3为本发明实施例提供的基于非对称纳米结构完美吸收体的折射率传感器搭建的传感测试装置结构示意图。
图4为本发明实施例提供的在空气中与水中所测量的反射率光谱图。
图5为本发明实施例提供的分别在具有一定折射率的葡萄糖溶液(n＝1.312)由实线表示，甘油(n＝1.473)由点划线表示以及二硫化碳(n＝1.6276)由虚线表示时所测量到的窄带共振光谱图。
图中：1、基底；2、金膜；3、间隔层；4、纳米弯月阵列；5、光源；6、反射镜；7、光谱仪；8、传感器腔室；9、溶液流入口；10、溶液流出口。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
由于前人所采用的纳米结构如纳米盘、纳米环、纳米球、纳米壳等完美吸收体是由其所激发的等离激元本征模式—“偶极等离激元”所主导。偶极等离激元虽然有较大的电磁场增强，但存在的缺点是具有较大的辐射，从而形成强烈的能量辐射损耗，在光谱响应中表现出宽带的共振峰，这不利于微纳光学元器件性能的提升。因此：
如图1所示，本发明提供了一种基于非对称纳米结构完美吸收体的折射率传感器，包括：基底1、金膜2、间隔层3、纳米弯月阵列4；其中：
所述金膜2，蒸镀在所述基底1上，用于消除透射；
所述间隔层3，设置在所述金膜2上，用于间隔所述金膜与所述纳米弯月阵列；
所述纳米弯月阵列4，设置在所述间隔层3上，当光照射与纳米弯月阵列4发生共振时，激发局域表面等离激元共振偶极模或高阶模。在本实施例中，如图1所示，将光的电场偏振方向平行于纳米弯月的长轴设置为C、电场偏振方向平行于纳米弯月的短轴设置为U。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述纳米弯月阵列呈周期性非对称排布，且周期可任意选择。所述纳米弯月阵列4中的纳米弯月的材料、内圆直径、内径和外径差以及纳米弯月尖端的圆切半径均具备选择性，能够选择性地感应出不同的高阶等离激元共振模式，并且能实现极窄带宽、极强电磁场增强的高阶等离激元的激发。通过改变所述纳米弯月阵列4的几何尺寸实现了通过改变入射光的偏振，可以选择性地感应出不同的偶极和高阶模式，以及得到了不同工作波长范围的宽带光学完美吸收。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述纳米弯月的材料采用折射率为负的贵金属，包括但不限于金、银、铂、铝中的一种或多种。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述金膜2的厚度为50～150nm；所述间隔层厚3度为20～100nm；所述纳米弯月的厚度为40～100nm。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述间隔层3为绝缘体或半导体，包括但不限于SiO2、MgF2。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述间隔层3使上层的所述纳米弯月阵列4与下层的金膜2各自形成反向平行电流，形成环路电流腔，循环电流产生一个磁矩，与入射光的磁场相互作用。共振时，两层之间的局域电磁场有很强的增强作用。电磁能量可以有效地限制在中间的间隔层中，因此没有光被反射回来。这在光谱中产生了明显的反射率下降，几乎下降至零强度，因此导致接近100％的吸收。
通过FDTD Solutions仿真计算，图2给出本发明所述折射率传感器在C偏振下的反射率光谱，如图2所示，从光谱中可以看出，非对称纳米阵列的周期为450nm。该新型微纳折射率传感器感应出三个共振峰。第一个共振峰激发在596nm处，反射率低，品质因数大，半峰全宽窄；第二个共振峰激发在796nm处，反射率低，品质因数大，半峰全宽窄；第三个共振峰激发在1559nm处，反射率低，品质因数大，半峰全宽较宽；且辐射较大，电磁场增强大于前两个共振峰。
本发明提供的基于非对称纳米结构完美吸收体的折射率传感器可以在近红外区域作为等离激元传感器工作并且可以检测到小浓度的目标分子。
如图3所示，本发明实施例提供了一种基于上述折射率传感器的传感测试装置，包括：折射率传感器、光源5、反射镜6、光谱仪7、传感器腔室8、溶液流入口9以及溶液流出口10；其中：
所述光源5由反射镜6反射到所述折射率传感器，由所述光谱仪7所接收；
所述折射率传感器设置在所述传感器腔室8内，且被所述传感器腔室8包围；
所述溶液流入口9和溶液流出口10分别开设在所述传感器腔室8顶部的两端，待测液体从所述溶液流入口9流入，经过所述折射率传感器测试后从所述溶液流出口10流出。
本发明实施例还提供了一种基于上述传感测试装置的测试方法，包括：S1、获取所述折射率传感器在周围环境为空气(n＝1)时的反射率：
设置周围环境为空气(n＝1)，光源5垂直入射且光的偏振方向为C偏振，入射光照射到所述折射率传感器上，由所述折射率传感器接收后，将反射光反射到反射镜6上，最后由光谱仪7接收；
S2、获取所述折射率传感器在周围环境为水(n＝1.312)时的反射率：
将周围环境由空气(n＝1)改变为水(n＝1.312)，光源5垂直入射且光的偏振方向为C偏振，入射光照射到所述折射率传感器上，由所述折射率传感器接收后，将反射光反射到反射镜6上，最后由光谱仪7接收；
S3、根据以下公式计算FOM*：
FOM*＝max|(dI(λ)/dn(λ))/I(λ)|
其中，dI(λ)/I(λ)是由折射率变化dn(λ)引起的固定波长处的相对强度变化；I(λ)对应于FOM*达到最大值时的强度；
S4、对于特定的应用，为空气以外的周围介质设计完美的吸收率。
例如具有一定折射率的葡萄糖溶液，甘油以及二硫化碳。分别测量折射率为1.312、1.473、1.6276的反射率。由光谱图可知，随着分析液折射率的增加，每个窄带共振都发生了红移，且甘油(n＝1.473)的反射率最低，吸光度最高，效果最好。
如图4所示，从光谱图中看出，当我们改变折射率传感器周围环境的折射率时，其光谱图发生了明显的改变。在空气(实线)中，波长为796nm时的反射率为6％，对应于94％的实验吸光度。当水(虚线)浸润于样品表面时，在波长为796nm时可见反射率由6％明显增加到83.7％，这是由于局部介质环境的折射率改变造成的。
如图5所示，从光谱图中看出，当我们改变较大的折射率时，不同折射率的液体能对应出不同的光谱图。在三种折射率相差约0.2的溶液中，葡萄糖溶液(n＝1.312)由实线表示，甘油(n＝1.473)由点划线表示以及二硫化碳(n＝1.6276)由虚线表示，随着折射率的增大，等离激元共振模式发生红移，即反射光谱共振峰值位置向长波长的方向进行了移动。
最后可以得出结论，本发明装置可以很好的测量不同折射率下的液体。并且具有很好的传感特性。只有在周围介质的一定折射率下才会出现零反射率(即完美阻抗匹配)。周围介质折射率的变化引起非零反射率的变化。因此，在固定的频率下，可以非常灵敏地探测到反射率的强度变化。本发明具有宽波段的光学完美吸收体的特性，是光伏、光电探测器、传感器、生物传感器等设备运行的中心环节。解决了从近红外到微波的光谱范围内的这些限制。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种基于非对称纳米结构完美吸收体的折射率传感器，其特征在于，包括：基底、金膜、间隔层、纳米弯月阵列；其中：
所述金膜，蒸镀在所述基底上，用于消除透射；
所述间隔层，设置在所述金膜上，用于间隔所述金膜与所述纳米弯月阵列；
所述纳米弯月阵列，设置在所述间隔层上，当光照射与纳米弯月阵列发生共振时，激发局域表面等离激元共振偶极模或高阶模。
2.根据权利要求1所述的基于非对称纳米结构完美吸收体的折射率传感器，其特征在于，所述纳米弯月阵列呈周期性非对称排布，且周期可任意选择。
3.根据权利要求2所述的基于非对称纳米结构完美吸收体的折射率传感器，其特征在于，所述纳米弯月阵列中的纳米弯月的材料、内圆直径、内径和外径差以及纳米弯月尖端的圆切半径均具备选择性，能够选择性地感应出不同的高阶等离激元共振模式，并且能实现极窄带宽、极强电磁场增强的高阶等离激元的激发。
4.根据权利要求2所述的基于非对称纳米结构完美吸收体的折射率传感器，其特征在于，所述纳米弯月的材料采用折射率为负的贵金属，包括但不限于金、银、铂、铝中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的基于非对称纳米结构完美吸收体的折射率传感器，其特征在于，所述金膜的厚度为50～150nm；所述间隔层厚度为20～100nm；所述纳米弯月的厚度为40～100nm。
6.根据权利要求1所述的基于非对称纳米结构完美吸收体的折射率传感器，其特征在于，所述间隔层为绝缘体或半导体，包括但不限于SiO2、MgF2。
7.根据权利要求1所述的基于非对称纳米结构完美吸收体的折射率传感器，其特征在于，所述间隔层使上层的所述纳米弯月阵列与下层的金膜各自形成反向平行电流，形成环路电流腔，循环电流产生一个磁矩，与入射光的磁场相互作用。
8.一种基于上述权利要求1-7中任意一项权利要求所述折射率传感器的传感测试装置，其特征在于，包括：折射率传感器、光源、反射镜、光谱仪、传感器腔室、溶液流入口以及溶液流出口；其中：
所述光源由反射镜反射到所述折射率传感器，由所述光谱仪所接收；
所述折射率传感器设置在所述传感器腔室内，且被所述传感器腔室包围；
所述溶液流入口和溶液流出口分别开设在所述传感器腔室顶部的两端，待测液体从所述溶液流入口流入，经过所述折射率传感器测试后从所述溶液流出口流出。
9.一种基于上述权利要求8所述传感测试装置的测试方法，其特征在于，包括：
S1、获取所述折射率传感器在周围环境为空气(n＝1)时的反射率：
设置周围环境为空气(n＝1)，光源垂直入射且光的偏振方向为C偏振，入射光照射到所述折射率传感器上，由所述折射率传感器接收后，将反射光反射到反射镜上，最后由光谱仪接收；
S2、获取所述折射率传感器在周围环境为水(n＝1.312)时的反射率：
将周围环境由空气(n＝1)改变为水(n＝1.312)，光源垂直入射且光的偏振方向为C偏振，入射光照射到所述折射率传感器上，由所述折射率传感器接收后，将反射光反射到反射镜上，最后由光谱仪接收；
S3、根据以下公式计算FOM*：
FOM*＝max|(dI(λ)/dn(λ))/I(λ)|
其中，dI(λ)/I(λ)是由折射率变化dn(λ)引起的固定波长处的相对强度变化；I(λ)对应于FOM*达到最大值时的强度；
S4、对于特定的应用，为空气以外的周围介质设计完美的吸收率。
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| CN202111444059.6A CN114166799A (zh) | 2021-11-30 | 2021-11-30 | 一种基于非对称纳米结构完美吸收体的折射率传感器、传感测试装置及方法 |
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Cited By (1)
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| CN114937713A (zh) * | 2022-05-18 | 2022-08-23 | 华南师范大学 | 一种等离激元中红外线偏振光窄带完美吸收超表面器件 |
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