RU218503U1

RU218503U1 - Плазмон-поляритонный датчик

Info

Publication number: RU218503U1
Application number: RU2022130849U
Authority: RU
Inventors: Александр Иванович Долгов; Александр Николаевич Шапошников; Сергей Владимирович Томилин; Надежда Александровна Фурсенко
Filing date: 2022-11-25
Publication date: 2023-05-29

Abstract

Полезная модель относится к области оптического приборостроения и касается плазмон-поляритонного датчика. Датчик включает прямую равнобедренную треугольную оптическую призму с первой, второй и третьей боковыми гранями, у которой первая и третья грани равны между собой. На первой и третьей гранях размещены плазмонные структуры. Угол призмы, противоположный второй грани, выполнен равным двойному углу плазмонного резонанса плазмонной структуры. Вторая грань выполнена с возможностью ввода света в призму перпендикулярно к ее поверхности в области проекции на нее плоскости первой грани и вывода света из призмы перпендикулярно к ее поверхности в области проекции на нее плоскости третьей грани. Технический результат заключается в повышении чувствительности устройства. 2 ил.

Description

Полезная модель относится к области плазмонной сенсорики и, в частности, к разработке оптико-электронных устройств с призменными согласующими устройствами, работа которых основана на явлении возбуждения резонансных плазмон-поляритонных колебаний. Полезная модель может быть использована в качестве датчика для мониторинга изменений состояния газовых сред и может применяться в промышленном производстве, медицине, для мониторинга состояния экологии окружающей среды и т.д.

Принцип действия датчиков на поверхностных плазмон-поляритонах (ППП) с призменными согласующими устройствами основан на физическом эффекте изменения резонансной частоты поверхностных плазмон-поляритонных волн в зависимости от диэлектрической проницаемости среды, граничащей с чувствительным металлическим (плазмонным) слоем [Майер С.А. Плазмоника: теория и приложения - М. - Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2011. - 296 с.], которая зависит от показателя преломления окружающей металл анализируемой области и проявляется в спектрах отражения в виде провалов оптической мощности.

Для возбуждения ППП в рассматриваемом классе датчиков применяется метод нарушенного полного внутреннего отражения при призменной связи по геометрии Отто либо Кречмана. В таких ситуациях достигается увеличение тангенциальной составляющей волнового вектора, при котором возможно возбуждение поверхностных мод (В.М. Агранович, Д.Л. Миллс. Поверхностные поляритоны. Электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред / Москва: «Наука», 1985, стр. 6-20, стр. 56, стр. 172).

Свет падает на металл со стороны призмы под углом, большим, чем угол полного внутреннего отражения θ_пво При достижении угла θ_пво интенсивность отраженного сигнала выходит на насыщение и является практически равной интенсивности падающего сигнала (за вычетом поглощения). Однако при дальнейшем увеличении угла падения может быть выполнено условие резонансного возбуждения поверхностного плазмона, состоящее в совпадении проекции волнового вектора падающего света с волновым вектором поверхностного плазмона. При этом интенсивность отраженного сигнала начинает резко затухать. Дальнейшее увеличение угла падения светового пучка увеличивает величину проекции волнового вектора света, и резонансное условие вновь нарушается [Томышев К.А. Плазмонный резонанс в оптических волокнах.: дис. … канд. физ-мат. наук: 01.04.21: защищена 30.12.2019: утв. 12.03.2020 / Томышев Кирилл Александрович. - М., 2019. - 101 с. - Библиогр.: с. 95-101].

Условием резонансного возбуждения плазмона является равенство касательной к поверхности раздела сред, составляющей волнового вектора падающего фотона и вещественной части постоянной распространения поверхностного плазмона.

Резонансная длина волны плазмонов (провал в спектре отражения) может быть определена значением угла

соответствующего максимальному минимуму отражения при определенной частоте возбуждающего оптического излучения, значением длины волны, соответствующей минимуму отражения при определенном угле падения

возбуждающего оптического широкополосного излучения, изменением амплитуды отраженного сигнала

при постоянной длине волны и угле падения возбуждающего оптического излучения, а так же фазой отраженного излучения.

Большинство конструктивных решений таких датчиков (Т.А. Вартанян. «Основы физики металлических наноструктур». Учебное пособие, курс лекций. - СПб: НИУ ИТМО, 2013. - 133 с. Рис. 50. Библ. 18, патенты JP 2014215202 A, US 5322798 A, US 2008037022 A1, US 2010033725 A1, US 2011267621 A1, WO 2010110523 A1) представляет собой прямую треугольную призму с первой, второй и третьей боковыми гранями, на одну из которых, например, на вторую, нанесена плазмонная структура. Луч света вводится в призму через первую грань, таким образом, чтобы угол его падения на вторую грань превышал угол

Свет, отразившийся от второй грани, выходит из призмы через третью грань.

Интенсивности света, падающего на вторую грань и отраженного от нее, составляют, соответственно,

и

В отсутствии плазмонной структуры на второй грани при полном внутреннем отражении потери оптической мощности минимальны и интенсивности падающего и отраженного лучей света практически равны,

Так как возбуждение поверхностного плазмона на плоской границе раздела возможно только в условиях полного внутреннего отражения (Т.А. Вартанян. «Основы физики металлических наноструктур». Учебное пособие, курс лекций. - СПб: НИУ ИТМО, 2013. - 133 с. Рис. 50. Библ. 18), то при определенном резонансном значении угла

падения света на вторую грань призмы в плазмонной структуре возбуждается плазмон-поляритонная волна, что приводит к уменьшению интенсивности отраженного света так, что

Значение угла

зависит от конструктивных параметров плазмонной структуры, применяемых материалов, оптических характеристик луча света, а также оптических характеристик внешней среды окружающей плазмонную структуру.

При изменении оптических характеристик внешней среды изменяется значение угла

Если до изменения оптических характеристик внешней среды наблюдался резонансный угол

то после изменения - наблюдается другой резонансный угол

При этом также изменяется интенсивность луча света, который отражается от второй грани призмы под углом

Реакцию δ датчика на изменение оптических характеристик внешней среды определяют либо по изменению положения резонансного угла

либо по изменению интенсивности луча отраженного света в направлении угла отражения

например, как

или

либо по изменению фазы отраженного света.

Известно устройство «Поверхностный плазмонный датчик» (патент JP 2014215202 A «Surface Plasmon Sensor»), включающее прямую равнобедренную треугольную оптическую призму с первой, второй и третьей боковыми гранями, у которой на поверхности второй грани размещена плазмонная структура, причем первая и третья грани равны между собой, а свет вводится в первую грань и выводится через третью грань, а на вторую грань с плазмонной структурой свет падает под углом

плазмонного резонанса, при котором для используемой плазмонной структуры наблюдается максимальный минимум отражения света,

Недостатком данного технического решения является, недостаточная чувствительность к изменениям оптических характеристик внешней среды, обусловленная однократным отражением света от плазмонной структуры.

Задачей технического решения является повышение чувствительности устройства.

Поставленная задача решается тем, что плазмон-поляритонный датчик содержит прямую равнобедренную треугольную оптическую призму с первой, второй и третьей боковыми гранями, у которой на одной грани размещена плазмонная структура, а первая и третья грани равны между собой, причем свет падает на грань с плазмонной структурой под углом

плазмонного резонанса, плазмонная структура размещена на первой грани, а на третьей грани дополнительно размещена вторая такая же плазмонная структура, при этом угол призмы противоположный второй грани выполнен равным

- двойному углу плазмонного резонанса плазмонной структуры, причем вторая грань выполнена с возможностью ввода света в призму перпендикулярно к ее поверхности в области проекции на нее плоскости первой грани и вывода света из призмы перпендикулярно к ее поверхности в области проекции на нее плоскости третьей грани.

Общими существенными признаками технического решения являются:

прямая равнобедренная треугольная оптическая призма с первой, второй и третьей боковыми гранями, у которой на второй грани размещена плазмонная структура, а первая и третья грани равны между собой.

Отличительным признаком заявленного решения является:

размещение плазмонной структуры на первой грани,

размещение дополнительной плазмонной структуры на третьей грани,

угол призмы противоположный второй грани выполнен равным

- двойному углу плазмонного резонанса плазмонной структуры,

вторая грань выполнена с возможностью ввода света в призму перпендикулярно к ее поверхности в области проекции на нее плоскости первой грани и вывода света из призмы перпендикулярно к ее поверхности в области проекции на нее плоскости третьей грани.

Совокупность существенных признаков технического решения за счет двойного отражения луча света от плазмонной структуры под углом

плазмонного резонанса обеспечивает квадратичное увеличение чувствительности плазмонного датчика, за счет чего повышается чувствительность заявляемого устройства.

На Фиг. 1 представлено схематическое изображение плазмон-поляритонного датчика.

На Фиг. 2 представлена рефлектометрическая кривая для рассматриваемой плазмонной структуры, построенной в программе WinSpall.

Фиг. 1-1, 2 и 3 - первая, вторая и третья боковые грани призмы, соответственно, 4 - первая плазмонная структура, 5 - дополнительная плазмонная структура, 6 - входящий луч света, 7 - выходящий луч света, 8 - призма.

На первой грани 1 призмы 8 размещена плазмонная структура 4, а на грани 3 призмы 8 размещена дополнительная плазмонная структура 5. Физические характеристики плазмонных структур 4 и 5 идентичны.

Угол при вершине призмы 8, противоположный грани, 2 выполнен равным

- двойному углу плазмонного резонанса для плазмонной структуры.

Устройство работает следующим образом.

Входящий луч света 6 вводится в призму 8 перпендикулярно поверхности грани 2 в области проекции на нее плоскости грани 1.

За счет выполнения угла призмы 8 равным

луч, отраженный от грани 1, распространяется в призме 8 параллельно плоскости грани 2.

Далее луч света падает на грань 3 с плазмонной структурой 5.

Выходящий луч 7, отраженный от грани, 5 выходит из призмы 8 перпендикулярно поверхности грани 2 в области проекции на нее плоскости грани 3.

При отражении света от грани 1 его интенсивность за счет плазмонного эффекта уменьшается в R раз. При отражении света от грани 2 его интенсивность за счет плазмонного эффекта также уменьшается в R раз.

За счет двойного отражения будет наблюдаться квадратичное ослабление интенсивности светового сигнала в

раз, что значительно повышает чувствительность датчика.

Пример конкретного исполнения заявляемого датчика.

Для построения заявляемого датчика может быть использована призма и плазмонная структура, приведенные в патенте JP 2014215202 A «Surface Plasmon Sensor».

Пример.

Для построения заявляемого устройства можно использовать следующие элементы.

Призма 8, например, может быть выполнена из гадолиний галлиевого граната Gd₃Ga₅O₁₂ (GGG).

На гранях 1 и 3 призмы 8 могут быть размещены, например, идентичные трехслойные плазмонные структуры 4 и 5, каждая из которых включает первый, второй и третий слои.

Первый и третий слои плазмонных структур 4 и 5 могут быть выполнены, например, диэлектрическими из окиси кремния (SiO₂), причем первый слой нанесен непосредственно на поверхности граней 1 и 3 призмы 8.

Второй слой, например, может быть выполнен металлическим из меди (Cu), причем поверх него нанесен третий слой плазмонной структуры из диэлектрика SiO₂.

Диэлектрические константы ε и значения толщин h слоев плазмонных структур 4 и 5 на рабочей длине волны устройства, например, λ=632,8 нм, например, составляют:

для слоя 1: ε_SiO2 = 2,122+0,0001i; h₁=10 нм;

для слоя 2: ε_Cu = -12,983+1,8405i; h₂=50 нм;

для слоя 3: ε_SiO2 = 2,122+0,0001i; h₃=26 нм.

Значения диэлектрических постоянных используемых материалов для рабочей длины волны λ=632,8 нм взяты с сайта https://refractiveindex.info.

Внешняя среда, с которой контактирует внешняя поверхность третьего слоя плазмонных структур 4 и 5, представляет собой, например, жидкую субстанцию в виде водного раствора (например, вода + белковая сыворотка) показатель преломления которой, например, на 0,01 больше, показателя преломления воды: n_env = 1,33171+0,01=1,34171, причем ε_env=n_env ²=1,8001.

Как видно из Фиг. 2, минимум отражения для рассматриваемой плазмонной структуры соответствует резонансному углу отражения

При этом амплитуда отраженного света в точке минимума отражения составляет R=0,036 отн. ед.

Таким образом, для построения заявляемого устройства необходимо выполнить угол при вершине призмы 8, противоположный грани. 2 равным

При этом результирующий коэффициент отражения от граней 1 и 3 призмы 8 составит

отн. ед., что в 27,7 раз меньше, чем при однократном отражении света, например, от грани 1 с плазмонной структурой 4.

Пример показывает, что разрешение устройства за счет двукратного отражения света от плазмонной структуры значительно увеличивается.

Это позволяет использовать для изготовления плазмонных структур более дешевые материалы, которые не дают значительного ослабления света при резонансном угле отражения, а также снизить требования к точности выполнения толщин слоев плазмонной структуры, что значительно удешевит производство таких устройств без снижения их эффективности.

Claims

Плазмон-поляритонный датчик, включающий прямую равнобедренную треугольную оптическую призму с первой, второй и третьей боковыми гранями, у которой первая и третья грани равны между собой, и плазмонную структуру, отличающийся тем, что плазмонная структура размещена на первой грани, а на третьей грани дополнительно размещена вторая такая же плазмонная структура, при этом угол призмы, противоположный второй грани, выполнен равным 2⋅θ_SPR - двойному углу плазмонного резонанса плазмонной структуры, причем вторая грань выполнена с возможностью ввода света в призму перпендикулярно к ее поверхности в области проекции на нее плоскости первой грани и вывода света из призмы перпендикулярно к ее поверхности в области проекции на нее плоскости третьей грани.