[發明專利]周期陣列的局域等離子體共振傳感器

有效

• 申請號: 201310082710.9
• 申請日: 2013-03-15
• 公開（公告）號: CN103163104A
• 公開（公告）日: 2013-06-19
• 發明（設計）人: 宋國峰;劉杰濤;許斌宗;胡海峰;王立娜
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 湯保平

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?plasmon?resonance)。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＝Δλ/Δn)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(FOM*＝ΔI/Δn/I)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。