CN114815020B - 一种高品质因数折射率传感器的设计方法及折射率传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高品质因数折射率传感器的设计方法及折射率传感器,包括以下步骤:S1.在SiO2衬底上设计具有不对称特性的Z型金属结构单元,其固定参数为l0、l1、w0和w1;S2.参数Px和Py分别为金属结构阵列在x轴和y轴上的空间周期,电场E的极化方向平行于Z形结构的悬臂梁,即x偏振入射,入射光的传播方向垂直于SiO2衬底,即波矢量k的方向,本设计发明能显著提升折射率传感器,即Ratio型折射率传感器的RIS值和折射率敏感性品质因数FOM值,为不对称手性结构的椭圆偏振光轴长比特性利用提供了一种方法及利用上述方法制备的折射率传感器。
Description
技术领域
本发明涉及光学传感器技术领域,更具体地,涉及一种高品质因数折射率传感器的设计方法及折射率传感器。
背景技术
局域在金属纳米结构与介质环境界面上的消逝波,被称为局域表面等离激元振荡,在能量捕获、亚波长光学成像、化学传感器、电子器件等方面有着广泛的应用。由于金属纳米结构具有极大的电场增强因子和其光学性质对结构大小、形状、组分及周围介质环境高灵敏特性,从而可以通过合理的设计实现生物分子检测和医学诊断。折射率传感器是LSPR效应在传感和检测领域的一个重要应用。然而,用于监测折射率变化的传统光学谱线由于金属纳米结构本身较大的辐射损失有一个很大的谱线线宽(半峰宽),导致此类折射率传感器的折射率敏感品质因数(FOM)很低,限制了其快速发展。因此,金属纳米结构中表面等离激元模式相干耦合所形成的Fano共振效应由于其窄线宽的特性(即Fano型折射率传感器),在折射率传感领域得到了广泛的应用和研究。
如何进一步提高折射率传感器的传感灵敏度(RIS,定义为每个折射率单位(RIU)的共振波长位移(Δλ),RIS=Δλ/Δn)和传感品质因数FOM(定义为折射率灵敏度与谱线宽度的比值,FOM=RIS/FWHM)是折射率传感领域的主要研究方向。目前,领域内有两种提高折射率传感器的RIS和FOM的传统方法。第一类是不断优化Fano结构(Fano型折射率传感器),使其谱线特性变窄,但这种操作有一定的挑战和局限性。第二类是采取不同的谱线特征以增加折射率传感器的RIS和FOM,比如差分光谱。例如,Fainman等人提出将不同入射角的纳米结构阵列获得的两个透射光谱进行差分,通过跟踪差分曲线上的零点进行折射率传感。Vavassori等人通过引入透射光偏振椭圆度与具有光谱依赖性零点波长来监测折射率的变化。Fischer等人利用手性等离激元结构的圆二色性光谱实现了高质量的折射率变化检测。这些研究虽然使等离激元结构折射率传感器具有较高的RIS值和FOM值,但在应用场景中普遍存在一定的局限性。因此,亟需设计新的具有高RIS值和FOM值的折射率传感器。
发明内容
本发明的目的是为了克服Fano型折射率传感器RIS和FOM值不高的问题,提出一种高品质因数折射率传感器的设计方法(Ratio型折射率传感器)。
本发明上述目的是通过以下技术方案予以实现的:包括以下步骤:
S1.在石英(SiO2)衬底上制备具有不对称特性的固定参数为l0、l1、w0和w1的Z型结构单元;
S2.数组参数Px和Py分别为x轴和y轴上的结构阵列周期,电场E的极化方向平行于Z型结构的悬臂梁(即x偏振入射),入射光的传播方向垂直于SiO2衬底。
优选地,S1所述的Z型结构的固定结构参数l0=l1=400nm,w0=w1=100nm。
优选地,S2所述的数组结构周期Px=Py=800nm。
优选地,在不对称的Z型结构单元旁边设置一根金(Au)纳米棒,Au纳米棒的长度和宽度分别用l2和w2表示,形成一个具有旋转对称的AZ-l2型结构,AZ-l2型结构组件之间的耦合间隙为g;
优选地,在旋转对称的AZ-l2型结构单元旁边再设置一根金(Au)纳米棒,Au纳米棒的长度和宽度分别用l3和w3表示,形成一个具有旋转对称的AZ-l2-l3型结构,AZ-l2-l3型结构所有组件之间的耦合间隙为g;
优选地,所述的Z型、AZ-l2型、AZ-l2-l3型结构单元所有组件之间的耦合间隙g=20nm。
一种折射率传感器,由上述方法制备所到。
本发明利用手性结构阵列在不同波长下的透射椭圆偏振光的轴长比曲线特性对折射率变化的响应来制备折射率传感器。通过计算不同手性结构(Z型、AZ-l2和AZ-l2-l3)在x和y方向上的透射光相位差和透射椭圆偏振光长轴角度(长轴与x轴夹角)的对应关系,可得到相应结构阵列透射椭圆偏振光的轴长比曲线和不同位置的椭圆偏振态。相位差的最大位置(对应不同的共振倾角位置)对应较大的轴长比,说明手性结构阵列对入射光偏振态的影响较小,即手性结构阵列的极化转换能力较差。相位急剧变化的位置(即透射椭圆偏振光状态变化的位置)在轴长比曲线上有一个非常窄的线形,作为折射率传感器的传感特征,也是本发明的核心依据。AZ-l2-l3结构阵列在特定位置的轴长比曲线、相位差曲线和主角度曲线的形状比较复杂,这是Fano共振和晶格模式共同作用的结果,其设计目的在于同一手性等离激元阵列中同时构建两个传感器的传感特征用于性能比较。本发明提出的手性等离激元结构阵列具有高RIS值、FOM值和Q值,有望替代传统的Fano型折射率传感器。
附图说明
图1为本发明手性等离激元结构阵列的结构示意图。
图2为AZ-l2-l3手性结构的轴长比曲线。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例进一步说明本发明的内容,但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下,对本发明方法、步骤或条件所作的简单修改或替换,均属于本发明的范围;若未特别指明,实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1
一种高品质因数折射率传感器的设计方法:包括以下步骤:
S1.在SiO2衬底上设计具有不对称的固定参数为l0=l1=400nm,w0=w1=100nm的Z型结构单元;
S2.x轴和y轴上的结构阵列周期Px=Py=800nm,电场E的极化方向平行于Z形结构的悬臂梁,入射光的传播方向垂直于SiO2衬底。
计算得知,Z型结构单元Ratio型折射率传感器的RIS=760.2nm/RIU,FOM=93.64。
实施例2
一种高品质因数折射率传感器的设计方法:包括以下步骤:
S1.在SiO2衬底上设计具有不对称的固定参数为l0=l1=400nm,w0=w1=100nm的Z形结构单元;
S2.x轴和y轴上的数组结构周期Px=Py=800nm,电场E的极化方向平行于Z型结构的悬臂梁,入射光的传播方向垂直于SiO2衬底。
S3.在不对称的Z型结构单元旁边设置一根Au纳米棒,Au纳米棒的长度l2=330nm和宽度w2=100nm,形成一个具有旋转对称的AZ-l2型结构,AZ-l2型结构所有组件之间的耦合间隙为g=20nm;
计算得知,AZ-l2型结构单元Ratio型折射率传感器的RIS=760.2nm/RIU,FOM=22.6。
实施例3
一种高品质因数折射率传感器的设计方法:包括以下步骤:
S1.在SiO2衬底上设计具有不对称的固定参数为l0=l1=400nm,w0=w1=100nm的Z型结构单元;
S2.x轴和y轴上的结构阵列周期Px=Py=800nm,电场E的极化方向平行于Z形结构的悬臂梁,入射光的传播方向垂直于SiO2衬底。
S3.在不对称的Z型结构单元旁边设置两根Au纳米棒,第一根Au纳米棒的长度l2=330nm和宽度w2=100nm,第二根Au纳米棒的长度l3=230nm和宽度w3=100nm,形成一个具有旋转不对称的AZ-l2-l3型结构,AZ-l2-l3型结构所有组件之间的耦合间隙为g=20nm;
计算AZ-l2-l3型手性结构在x和y方向上的透射光相位差和透射椭圆偏振光长轴角度(长轴与x轴夹角)的对应关系,可得到AZ-l2-l3结构阵列透射椭圆偏振光不同位置的椭圆偏振态。AZ-l2-l3结构阵列在1160nm的轴长比曲线的形状较为复杂,这是Fano共振和晶格模式共同作用的结果,AZ-l2-l3结构阵列在1160nm左右处既具有Fano型折射率传感器的特性,也具有Ratio型折射率传感器的特性。当介质环境折射率线性增加时,Fano型折射率传感器和Ratio型折射率传感器的传感特性也线性增大。Ratio型折射率传感器的RIS达到556.9nm/RIU,是Fano型折射率传感器(423.7nm/RIU)的1.314倍。当n=1时,Ratio型折射率传感器的FOM值高达60,特征曲线的质量因数Q达到120.6,分别是优化后的Fano型折射率传感器对应值的2.92倍和2.14倍。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种高品质因数折射率传感器的设计方法,其特征在于:包括以下步骤:
S1. 在SiO2衬底上设计具有不对称特性的Z型金属结构单元,所述Z型金属结构单元由两条平行于x轴设置的悬臂梁以及连接两个所述悬臂梁且平行于y轴的连接部组成,其固定参数为l 0 、l 1 、w 0 和w 1 ,其中l 0 分别是两条悬臂梁的臂长,l 1 是连接部的长度,w 0 分别是两条悬梁臂的宽度,w 1 是连接部的宽度,且l 0 = l 1 =300~500nm, w 0 = w 1 =50~150nm;
S2.参数P x 和P y 分别为Z型金属结构单元阵列在x轴和y轴上的空间周期,电场E的极化方向平行于Z型金属结构单元的悬臂梁,即x偏振入射,入射光的传播方向垂直于SiO2衬底,即波矢量k的方向,且P x =P y =500~1000 nm;
S3. 在步骤S1所述的Z型金属结构单元一侧设置1~2根Au纳米棒,形成具有旋转不对称的AZ-l 2 型结构或AZ-l 2 -l 3 型结构,AZ-l 2 型结构或AZ-l 2 -l 3 型结构之间的耦合间隙g=10~30nm。
2.一种折射率传感器,其特征在于:由上述权利要求1所述方法制备所得。
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