CN217425200U - 基于银膜亚波长圆孔阵列传感单元的eot折射率传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于银膜亚波长圆孔阵列传感单元的EOT折射率传感器，其特征包括宽带光源、亚波长圆孔阵列传感单元、光谱分析仪。亚波长圆孔阵列传感单元以二氧化硅为衬底，并镀上周期性亚波长孔洞阵列的银膜；宽带光源垂直入射到亚波长圆孔阵列传感单元上，银膜表面产生表面等离子体共振效应，引起异常光透射效应，表面等离子体共振效应的光波以表面等离子波的形式存在，剩余的光波继续传播，透射谱被光谱仪接收，当圆孔阵列中折射率发生变化时，通过检测波长的漂移量，结合SPR传感器的特性，现折射率实时的在线检测。本实用新型提出一种具有实用、低成本、高灵敏度、响应速度快的基于银膜亚波长圆孔阵列传感单元的折射率传感器。

Description

基于银膜亚波长圆孔阵列传感单元的EOT折射率传感器

技术领域

本实用新型提出了基于银膜亚波长圆孔阵列传感单元的EOT折射率传感器，属于光学传感技术领域。

背景技术

亚波长结构是一种结构尺寸小于工作波长的结构。近年来，亚波长量级的光电子元器件加工工艺得到迅速发展，基于亚波长尺度的材料制备技术也已逐渐趋于成熟。得益于制造技术的进步，与表面等离激元(Surface Plasmons,SPs)相关的各种研究与应用也得到了研究人员的广泛关注。表面等离激元指的是金属表面电荷振荡可形成电磁表面波。当SPs受外界电磁场(如入射光)影响时，其与光场耦合可形成传播方式不同的耦合电磁模式，一种是传播型电磁波，可沿金属-介质界面传播，称之为表面等离极化激元(SurfacePlasmon Polaritons,SPPs)；一种是不可传播的局域型电磁波，通常产生在亚波长结构(如纳米金属颗粒、亚波长孔径，金属纳米团簇等)的结构中，被称之为局域表面等离极化激元(Localized surface plasmons,LSPs)。表面等离激元具有以下两种特性：亚波长传播、局域场增强。这两种独特性质使得其在光场调控及传感应用方向拥有巨大的潜在应用价值。

在研究SPs的过程中，人们发现了一种特殊的实验现象，该现象为入射光通过具有周期性小孔结构的金属薄膜时，会在大于周期的波长处产生明显的透射峰，且该透射峰的透射能量要大于经典衍射理论的预测值。该现象首先被Ebbesen等人发现，并于1988年发表在《Nature》上。该报道将这种透射现象称之为异常光透射现象(EOT-ExtraordinaryOptical Transmission)

2004年，Koerkamp等人提出异常光透射特性与金属孔形状有关，金属孔面积不变的情况下，随着孔形状的改变，最大波长处的透射峰会发生明显漂移，说明孔内存在与金属孔大小形状有关的局域波导共振模。2005年，A.Degiron和T.W.Ebbesen进一步对比研究圆孔和不同方式排布的矩形孔阵列纳米金属薄膜的透射特性，认为形状共振是由小孔中激发的局域表面等离子体(LSPs)共振引起的，其研究结果还显示了SPP和LSP模式在EOT现象中都发挥着重要的作用，当SPPs与LSPs的能量相同时，它们可以相互激励和转化，光波透过薄膜会产生增强透射现象。2010年，Mahboub O等人提出了一种靶心结构，从实验和理论两方面研究了不同的几何特征与该结构的EOT透射效率之间的关系，通过结果可以得出该种结构的基本优化原则，并设计出具有最佳传输性能的参数组合。2019年，Zhiquan Chen等人提出了一种锥形纳米孔阵列结构，该锥形纳米孔由两层或多层不同半径的纳米孔复合而成，能有效抑制二氧化硅基底所产生的额外的等离激元模式。该研究通过FDTD法进行仿真，结果证明锥形纳米孔阵列可实现半峰全宽较窄，灵敏度较高的EOT峰，其较高的透射率来源于散射的SPPs与直接透射光之间的相干干涉。该结构对周围环境非常敏感，具有良好的传感特性，通过对结构参数的优化，可在1.02-1.05折射率范围内达到1580nm/RIU的灵敏度和匹配率分别为1580nm/RIU和15nm的透射峰线宽。可以与其他光电器件集成，在光学滤波和开关等领域有潜在的应用前景。但纳米孔结构复杂，不易加工，且其折射率传感范围低，难以应用到生物检测领域。

针对上述基于等离子体亚波长光学元器件纳米孔结构复杂、折射率传感范围低等问题，本发明提出基于银膜的亚波长圆孔阵列传感单元的EOT折射率传感器，通过来自正入射的平面光穿过传感器，在圆孔附近产生表面等离激元，引起异常光透射效应，透射光穿过二氧化硅到达光谱分析仪。利用表面等离子体共振原理和在银膜表面产生表面等离子体共振效应，实现本实用新型结构简单，成本低，可利用光电集成技术进行批量生产，具有很强的实用价值的优势。

发明内容

针对现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供基于银膜的亚波长圆孔阵列传感单元的EOT折射率传感器，通过该基于银膜的亚波长圆孔阵列传感单元的EOT折射率传感器可以实现对液体折射率大范围精度的传感测量，成本低，可批量生产，不易受外界环境干扰，适用于多种场合。

本实用新型通过以下技术方案实现：基于银膜亚波长圆孔阵列传感单元的EOT折射率传感器。其特征包括宽带光源、亚波长圆孔阵列传感单元、光谱分析仪。其中亚波长圆孔阵列传感单元的组成为在3二氧化硅衬底上镀上2刻有周期性圆孔阵列结构的银膜；1宽带光源垂直照射在2刻有周期性圆孔阵列的银膜和3二氧化硅衬底组成的传感器上，传感器的透射光被4光谱分析仪接收，并进行数据采集处理。

所述的1宽带光源的波长范围为650nm～1150nm。

所述的2刻有周期性圆孔阵列的银膜的厚度为0.08～0.16μm，圆孔半径为0.08～0.16μm，圆孔阵列周期为0.35～0.55μm。

本发明的有益效果为：

通过该实用新型结构可以在大折射率范围内实现高精度测量，响应速度快，不易受外界环境干扰，适用于多种场合，实现折射率实时的在线检测。

亚波长圆孔阵列传感单元可基于光电集成技术进行批量生产，成本低，具有较强的实用性。

附图说明

图1为本实用新型基于银膜亚波长圆孔阵列传感单元的EOT折射率传感器示意图。

图2为本实用新型的一个具体实例实验图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述。

如图1所示，基于银膜亚波长圆孔阵列传感单元的EOT折射率传感器包括：1宽带光源、2刻有周期性圆孔阵列的银膜、3二氧化硅衬底、4光谱分析仪。

本实用新型的工作方式为：1宽带光源产生信号光，垂直照射在2刻有周期性圆孔阵列的银膜和3二氧化硅衬底组成的传感器上，银膜表面产生表面等离子体共振效应，引起异常光透射效应，产生表面等离子体共振效应的光波以表面等离子波的形式存在，剩余的光波继续传播，透射谱被4光谱仪接收，现折射率实时的在线检测。

该装置能够实现基于亚波长圆孔阵列传感单元的EOT折射率传感的关键技术有：

1、亚波长圆孔阵列传感结构。由刻有周期性圆孔阵列的银膜和二氧化硅衬底构成的传感单元是实现高灵敏度宽测量范围传感的基础。

2、银膜的厚度。银膜的厚度会影响透射峰的位置和透射光能量的衰减，从而影响透射率，这将会影响折射率灵敏的的测量。因此，银膜的厚度应严格控制在0.08～0.16μm

3、圆孔的半径。随着圆孔半径的增加，透射峰逐渐红移，对于SPP，圆孔半径变化，其共振峰位置不变；对于LSP，半径增大，内侧光程差也随之增加，导致透射峰发生红移。当圆孔半径增大时，F-P腔腔长增加，引起透射峰的红移，同时由于透射面积的增加，透射峰透射比率也会逐渐增大。因此圆孔的半径应控制在0.08～0.16μm。

4、圆孔阵列的周期。随着阵列周期的增大，透射峰会发生红移。周期的增加又使得相邻圆孔间距增加，电子振荡长度增大，相邻圆孔之间的等离子体共振减弱，引起透射峰的红移和透射率的降低。周期较小时相邻结构距离较小，可能产生光耦合，从而影响透射峰位置，引起透射峰展宽。因此圆孔阵列的周期应严格控制在0.35～0.55μm。

本实用新型的一个具体实施例中，选取宽带光源波长为650nm～1150nm，选定银膜厚度为0.1μm，圆孔半径为0.1μm，圆孔阵列周期为0.4μm。当在孔内设定不同折射率的介质时，得到透射峰随孔内介质折射率变化的透射光谱如图2所示。折射率变化范围为1.0-1.5，以0.1RIU为间隔，记录该透射峰随折射率变化的透射光谱。当孔内介质折射率增大，孔内光程差也会增大，从而引起透射光谱的红移，透射峰峰值对应波长从702nm漂移到795nm，漂移量为93nm，透射峰的折射率灵敏度为186nm/RIU。因此该实用新型结构适用于大折射率范围的传感。

以上所述及图中所示的仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的原理的前提下，还可以作出若干变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.基于银膜亚波长圆孔阵列传感单元的EOT折射率传感器，其特征在于包括宽带光源、亚波长圆孔阵列传感单元、光谱分析仪；所述的宽带光源垂直照射在亚波长圆孔阵列传感单元上，从亚波长圆孔阵列传感单元透射的光波被光谱分析仪接收，并进行数据采集和分析；所述的宽带光源，其特征在于波长范围为650 ~1150 nm；所述的亚波长圆孔阵列传感单元由二氧化硅衬底和刻有周期性圆孔阵列结构的银膜构成，银膜的厚度为0.08~0.16 μm，圆孔半径为0.08~0.16μm，圆孔阵列周期为0.35~0.55 μm。

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