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專利名稱：周期陣列的局域等離子體共振傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及納米光子學傳感技術領域，尤其涉及局域等離子體共振相關的金屬光子晶體結構折射率傳感器件，其是一種周期陣列的局域等離子體共振傳感器。
背景技術：
表面等離子體是發生在金屬/介質界面上的耦合共振形式，電子群在這層界面上集體的來回運動。這種波被俘獲在界面附近，與金屬表面上電子的等離子體相互作用。金屬表面的電子電荷和電磁波之間的共振相互作用產生了表面等離子體并導致其具有十分獨特的性質。局域表面等離子體共振:對于金屬納米顆粒，表面等離子體波將被局域在金屬納米顆粒的邊界附近，形成局域化的表面等離子體振蕩(localized surface plasmonresonance)。空間局域化的表面等離子體共振,其共振特性和激發光場特性,金屬顆粒尺寸、形貌、組分、排布都有密切相關性，也和所處周圍介質條件相關。利用金屬納米顆粒產生的局域等離子體共振，可以實現有效折射率傳感。采用周期性金屬納米結構單元排布，組成金屬納米光子晶體結構，可以通過調節幾何特征尺寸、周期等特征參數實現有效光學響應特征調制，以利用其獲得高性能傳感器件。本發明中則采用金屬正方陣列開口環周期結構，通過設計優化參數，獲得優化結果，以實現用于檢測折射率變化的高靈敏度有效折射率傳感器件。局域等離子體對介質環境折射率的敏感性，是等離子體共振傳感器件設計的基礎。局域等離子體共振由于其特征共振線寬較寬，在作為傳感元件時，阻礙限制了器件的品質因素的提升，因此，減小特征檢測位置共振線寬，提高品質因子對器件工作性能的提升具
有重要意義。伍德異常發生在入射波長或入射角的某些臨界點上，常被稱為Rayleigh anomaly波長或Rayleigh入射角。在這些條件下,某些衍射波所對應的衍射角為90度發生掠射，它們處于存在和消失(傳播波和倐逝波)的臨界狀態，不妨稱之為瑞利邊界波。由于傳播波攜帶能量，而倐逝波不攜帶能量，在經過臨界點時，所有傳播波都要調節各自所攜帶的能量，以保持能量守恒。此時，衍射效率光譜范圍曲線表現為在Rayleigh邊界波長處發生導數躍變，常出現局部的、很窄的峰或谷。在一定條件下，我們可以利用瑞利邊界波長處很窄的峰或谷作為有效探測的工作波長，同樣可以獲得較高的品質因子。金屬元件由于電磁場激發，而形成的類似共振線圈的誘導共振。在金屬內部可以近似認為電子電荷的排布運動如導體中產生的電流。因而會產生誘生電磁場共振。與基于光子晶體結構的局域等離子體傳感器比較，基于開口環共振的傳感器件具有較高的探測靈敏度，而同時也顯示了較寬的共振線寬。本發明利用兩者結合，設計了一種基于開口環單元的光子晶體結構局域等離子體共振傳感器，對探測靈敏度(S= Δ λ/Δη)和探測品質因子(FOM = S/FWHM(半高全寬))都有了很好的改善，使得器件性能明顯提高。由于在實施方案時,具體光學信號輸入端，由光纖導引，為了方便測試，可以改變入射角度，實現大角度有效探測。然而，實際應用中，目前的主要基于局域等離子體共振傳感的元器件大多只是限定在正入射或是有限入射角度的條件下，檢測自由度受到不同程度的限制。一般局域等離子體傳感器件由于其周期排布性質及對稱性單元特征，不會有較大的偏振選擇性，可以作為有效無偏或偏振弱相關傳感器。但是，在有一定結構特征的單元上，由于特定的結構選擇使得器件的光譜響應對不同偏振激發有不同的響應，不利于高效、便捷、快速的檢測。大多數基于開口環共振的傳感元件便受到了這樣的約束而只能工作在限定工作條件下。除了做光譜分析測試以外，也可以使用單色光波作為信號檢測光源，而使用強度變化響應做相應檢測分析。此時，如何提高信號的深寬比，以利于提高信噪比，提高檢測信號辨識度、對提高檢測性能很重要。由于本發明所涉及的器件，設計結果，計算預測表明，其透射光譜相應共振位置的強度深寬比大，信號調制深度高，作為單波長檢測手段下，檢測信號強度變化時，其有效品質因子(F0M*= ΔΙ/Δη/Ι)也將會顯示出高的品質因素。

發明內容
本發明的目的在于，提供一種周期陣列的局域等離子體共振傳感器，具有傳感高靈敏度，窄共振線寬，高信號調制深度，大范圍探測角度容忍度的優點。本發明提供一種周期陣列的局域等離子體共振傳感器，包括:一襯底；多個傳感器單元，其排布在襯底的表面，組成周期陣列結構。本發明具有高的信號調制深度，可用于光譜分辨測試，也可用于單波長強度測試。具有大角度探測，偏振弱相關，寬檢測范圍等特點，可以作為高靈敏度，高品質傳感器件以實現高效，高性能，便捷、高適應性折射率檢測。


為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明，其中:圖1為本發明的結構示意圖；圖2為圖1中傳感器單元的結構示意圖；圖3為本發明的等離子體共振傳感器對不同環境折射率變化的透射光譜響應圖。圖4和圖5為本發明等離子體共振傳感器在不同響應頻率處用時域有限差分(FDTD)方法模擬計算的共振模式狀態電場Ez分布圖。圖4為共振模式I電場Ez分布圖，圖5為共振模式2電場Ez分布圖。圖6為本發明提供的等離子體共振傳感器在不同環境折射率時透射光譜谷值所處共振波長位置，可以看見其為近線性關系。圖7為本發明提供的等離子體共振傳感器在不同開口間距大小時，傳感性能參數的變化，包括靈敏度、品質因素。圖8為本發明提供的等離子體共振傳感器對不同入射光場偏振角度的透射光譜的響應譜。只有信號強度受到偏振角度的影響，仍然可以做有效透射光譜測試，用于折射率傳感。本發明提供的局域等離子體共振傳感器顯示了偏振弱相關性。圖9為本發明提供的等離子體共振傳感器在不同入射光角度情況下環境折射率為空氣時透射光譜的變化圖。圖10為本發明提供的局域等離子體共振傳感器在入射光角度為30度情況下，偏振方向沿X方向，即零度偏振角時，對不同環境折射率變化而產生的相應的透射光光譜響應。圖11為本發明提供的局域等離子體共振傳感器在入射光角度為30度情況下，偏振角為45度時，對不同環境折射率變化而產生的相應的透射光光譜響應。
具體實施例方式請參閱圖1及圖2所示，本發明提供一種周期陣列的局域等離子體共振傳感器，包括:一襯底10，所述襯底10的材料為透明介質或半導體材料，其折射率為η =1.3-1.6 ；多個傳感器單兀20,其排布在襯底10的表面,組成周期陣列結構,其中每一傳感器單元20為納米級開口環單元，該納米級開口環單元為非對稱三段開口結構，在開口環單元的一側為第一開口 21，上部為第二開口 22，另一側為第三開口 23，所述每一傳感器單元20為納米級開口環單元，該開口環單元為正方形結構，所述各開口位于該開口一側的中心位置，所述第一開口 21、第二開口 22和第三開口 23的端部為平面、圓面或橢圓面的對稱結構或非對稱結構，所述第一開口 21、第二開口 22和第三開口 23間隙為納米級，每一傳感器單元20的材料是金或銀，圖1為一襯底10和四個傳感器單元20構成的正方周期陣列的結構圖。本發明的周期陣列的局域等離子體共振傳感器的工作波長在可見光及近紅外波段,波段范圍為500nm-1800nm。應用本發明的周期陣列的局域等離子體共振傳感器進行的檢測系統，是將本發明設計的等離子體傳感元件，包括排布在襯底10的表面，多個納米級開口環傳感器單元20組成的周期陣列結構，置于待檢測樣品環境中，如測試液體，或者將檢測溶液滴于檢測元件上，準備檢測。具體實施時，可以采用光纖作為輸入輸出端測試用信號輸入與信號收集信道。利用寬光譜光源作為檢測光源，通過一定選偏，強度調節，將光源輸出端對準樣品，照射載有待測試液，或者浸在待測試液中的周期陣列的局域等離子體共振傳感器。下一步檢測收集通過樣品和傳感器的透射光譜信號。通過光譜儀分析檢測由輸出端光纖收集的透射光譜響應信號。從分析光譜特性隨樣品折射率變化的響應譜中便可以得到樣品折射率相對變化值(參閱圖3為本發明的等離子體共振傳感器對不同環境折射率變化的透射光譜響應圖)。本發明是利用開口環傳感器單元20的共振模式I (參閱圖4)，瑞利邊界波長處很窄的谷作為有效探測的工作波長，可以獲得較高的品質因子。利用開口環傳感器單元20的共振模式2 (參閱圖5)，此共振模式由于電磁場激發，而形成的類似共振線圈的誘導共振，具有強場局域特性，弱偏振相關性(參閱圖8)，弱角度選擇性(參閱圖9)，使得本發明的周期陣列的局域等離子體共振傳感器具有大角度探測，偏振弱相關，寬檢測范圍等特點。對檢測光源的入射光角度，偏振角度的要求大大降低，減小光源對準操作難度，提高了檢測適應性，操作靈活性，同時不失高效性。因而可以同時實現高靈敏度，高品質因素，便捷、高適應性折射率檢測。局域等離子體對介質環境折射率的敏感性，是等離子體共振傳感器件設計的基礎。本發明提供的局域等離子體共振傳感器，包括的多個傳感器單元20，其排布在襯底10的表面，組成周期陣列結構，其中每一傳感器單元20為納米級開口環單元，基于開口環傳感器單元20的傳感器件具有較高的探測靈敏度。周期陣列結構開口環傳感器單元20和襯底10組成的傳感器系統對不同環境折射率變化的透射光譜響應比較敏感(參閱圖3)。在不同響應頻率處用時域有限差分方法模擬計算的共振模式狀態電場Ez分布圖4為共振模式I電場Ez分布圖，圖5為共振模式2電場Ez分布圖。可以明顯看出，由于在開口環傳感器單元20的第一開口 21，第二開口 22，第三開口 23處分別形成了強的電磁場局域和不同特征分布，所以在兩個共振模式I和2工作的系統會產生不同的傳感性能(參閱圖6)。開口環傳感器單元20由于電磁場激發，而形成的類似共振線圈的誘導共振。在金屬內部可以近似認為電子電荷的排布運動如導體中產生的電流。因而會產生誘生電磁場共振。與基于光子晶體結構的局域等離子體傳感器比較，基于開口環共振的傳感器件具有較高的探測靈敏度，而同時也顯示了較寬的共振線寬。第一開口 21、第二開口 22、第三開口 23則有效起到納米腔共振系統作用。在不同開口間距大小時，傳感器傳感性能參數相應變化，包括靈敏度、品質因素(參閱圖7)。由于模式2共振(參閱圖5)在三段開口的第一開口 21、第二開口 22、第三開口 23處分別形成對應電場局域分布，此共振模式具有強場局域特性，弱偏振相關性(參閱圖8)，弱角度選擇性(參閱圖9，模式2共振具有弱角度相關性，共振模式2位置不因入射光角度的改變而改變)。由于模式I共振在三段開口的第一開口 21、第二開口 22、第三開口 23處分別形成對應電場局域分布(參閱圖4)，此共振模式具有場局域特性，弱偏振相關性(參閱圖8)，弱角度選擇性(參閱圖9，模式I共振具有弱角度相關性，同時受到伍德異常的影響而在小角度探測時具有窄的共振線寬)。基于光子晶體結構的局域等離子體傳感器對探測介質折射率變化的敏感性，結合開口環傳感器單元20的三段開口的第一開口 21、第二開口 22、第三開口 23結構設計，有效利用模式1、2共振特點，本發明提供的局域等離子體共振傳感器在入射光角度為30度情況下，偏振角為45度時，對不同環境折射率變化而產生的相應的透射光光譜響應(參閱圖10、圖11)。本發明提供的局域等離子體共振傳感器具有大角度探測，偏振弱相關，寬檢測范圍等特點，可以作為聞靈敏度，聞品質傳感器件以實現聞效，聞性能，便捷、聞適應性折射率檢測。通過光譜儀分析檢測由輸出端光纖收集的透射光譜響應信號(參閱圖3、圖10、圖11)。從分析光譜特性隨樣品折射率變化的響應譜中便可以得到樣品折射率相對變化值。同樣通過測試，標定系統，定標參數，便可以通過比照標準值而找到所測試樣品折射率的信息及相關光譜特性的結果。以上所述，僅為本發明的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術的人，在本發明所揭露的技術范圍內，采用的可輕易想到的變換或替換，都應涵蓋在本發明的包含范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
權利要求
1.一種周期陣列的局域等離子體共振傳感器，包括: 一襯底； 多個傳感器單元，其排布在襯底的表面，組成周期陣列結構。
2.根據權利要求1所述的周期陣列的局域等離子體共振傳感器，其中每一傳感器單元為納米級開口環單元，該納米級開口環單元為非對稱三段開口結構，在開口環單元的一側為第一開口，上部為第二開口，另一側為第三開口。
3.根據權利要求2所述的周期陣列的局域等離子體共振傳感器，其中該開口環單元為正方形結構，所述各開口位于該開口一側的中心位置。
4.根據權利要求3所述的周期陣列的局域等離子體共振傳感器，其中所述第一開口、第二開口和第三開口的端部為平面、圓面或橢圓面的對稱結構或非對稱結構。
5.根據權利要求4所述的周期陣列的局域等離子體共振傳感器，其中所述第一開口、第二開口和第三開口的開口間隙為納米級。
6.根據權利要求1所述的周期陣列的局域等離子體共振傳感器，其中每一傳感器單元的材料是金或銀。
7.根據權利要求1所述的周期陣列的局域等離子體共振傳感器，其中所述襯底的材料為透明介質或半導體材料，其折射率為η = 1.3-1.6。
8.根據權利要求1所述的周期陣列的局域等離子體共振傳感器，其中該周期陣列的局域等離子體共振傳感器的工作波長在可見光及近紅外波段，波段范圍為500nm-1800nm。
全文摘要
一種周期陣列的局域等離子體共振傳感器，包括一襯底；多個傳感器單元，其排布在襯底的表面，組成周期陣列結構。本發明，具有傳感高靈敏度，窄共振線寬，高信號調制深度，大范圍探測角度容忍度的優點。
文檔編號G01N21/41GK103163104SQ201310082710
公開日2013年6月19日 申請日期2013年3月15日 優先權日2013年3月15日
發明者宋國峰, 劉杰濤, 許斌宗, 胡海峰, 王立娜 申請人:中國科學院半導體研究所