[發明專利]長量程光學自參考位移傳感器

有效

• 申請號: 202110371245.5
• 申請日: 2021-04-07
• 公開（公告）號: CN112857232B
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發明（設計）人: 武京治;王艷紅;楊恒澤;李孟委
• 申請（專利權）人: 中北大學
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02
• 代理公司: 廈門市天富勤知識產權代理事務所(普通合伙) 35244
• 代理人: 唐紹烈

本發明公開長量程光學自參考位移傳感器，包括由上至下依次的金膜層、上玻璃層、間隙層、下玻璃層和硅基底，金膜層用于通過電流，所述金膜層的厚度為100nm，所述金膜層上蝕刻有雙納米孔，雙納米孔包括兩個相交的圓形納米孔，所述雙納米孔下方的間隙層中對應設置有兩個并排排列的效應塊，該效應塊為金納米塊。在電磁波垂直照射下，本發明的結構在激發anapole模式的對應波長處會表現出反射率急劇減小，利用這一模式，通過測量該結構反射光譜的變化來間接反映待測物體的位移，從而實現位移的探測。

技術領域

本發明涉及位移傳感器技術領域，特別涉及長量程光學自參考位移傳感器。

背景技術

光學位移傳感器在納米測量、生物傳感和納米工藝方面有著廣泛的應用，是理解生化過程的關鍵工具。1976年Stryer和Haugland首次提出了利用共振能量(resonance energy transfer,FRET)作為光譜標尺用于生物過程中的距離測量。根據量子物理模型和經典庫倫偶極-偶極相互作用，共振是通過無輻射躍遷產生的，能量轉移效率在很大程度上取決于磁偶對之間的相對距離。目前FRET光學位移傳感器已被用于生物和化學系統，以確定在分子尺度上的距離，并可在動態系統的結構和維度進行跟蹤測量，可以在單個生物分子水平上獲得距離信息。由于FRET位移傳感器起源于偶極-偶極相互作用，其測試結果受待測物體與傳感器的距離的影響。因此，FRET位移傳感器的最大測試數量級為10nm。為了滿足10nm量級以上距離測量的需求，我們提出了一種量程可達到120nm的利用表面等離激元和光學anapole模式的長量程自參考位移傳感器。

利用粒子間等離激元耦合的近指數距離衰減和標度行為的所謂“等離子體尺”在生物傳感器、材料技術和光子器件等領域得到了廣泛的研究和應用。納米結構和納米顆粒中等離子體共振的距離依賴性為等離子體尺提供了一個獨特的優勢，可以測量從埃到數百納米的距離范圍。

表面等離子體激元(surface plasmons polaritons,SPPs)是一種特殊模式的表面電磁波激發態，它存在于介質與金屬界面，并沿著金屬與介質表面傳播，主要是由金屬中自由電子與光子相互作用而產生的一種電子疏密波。表面等離子體激元的共振會導致一種傳統光學難以解釋的物理現象，就是異常光學穿透現象。當光波入射到有周期性小孔金屬薄膜上時，光波的透射率很大。而在傳統光學中，對于亞波長小孔的透射率是非常低的，幾乎接近于零。由表面等離子體激元的量子共振原理可以很好的解釋這一現象。

SPPs是光和金屬表面的自由電子相互作用所激發出的一種電磁波模式，或可理解為在局部金屬表面光子和自由電子相互作用形成的混合激發態。在這種相互作用中，由于金屬表面的自由電子有固定的共振頻率，當其共振頻率與太赫茲頻率相同時自由電子會發生集體振蕩。由于SPPs僅僅局限于金屬和介質交界處附近，沿表面傳播，并能在特定納米結構條件下形成電磁場增強，這種金屬表面電荷振蕩與太赫茲(THz)電磁場間的相互作用構成了具有特定性質的SPPs。

由于SPPs具有局域場增強和突破傳統衍射極限的特性，這為發展新型的納米光學器件提供了機遇。SPPs技術正在納米光子器件、發光技術、超衍射納米光刻、高密度數據存儲、近場顯微鏡和生物化學傳感器等領域有著越來越多的應用。

電磁波照射下的等離子體可以產生多極子，其中環形偶極子與電偶極子的相消干涉可產生無輻射的anapole模式，使結構的反射光譜達到最小。本發明利用等離激元與光學anapole模式的結合，通過反射光譜來進行位移的測量。

發明內容

本發明的目的在于提供長量程光學自參考位移傳感器,克服上述缺陷，滿足測量物體的位移。

為達成上述目的，本發明的解決方案為：長量程光學自參考位移傳感器，包括由上至下依次的金膜層、上玻璃層、間隙層、下玻璃層和硅基底，金膜層用于通過電流，所述金膜層的厚度為100nm，所述金膜層上蝕刻有雙納米孔，雙納米孔包括兩個相交的圓形納米孔，所述雙納米孔下方的間隙層中對應設置有兩個并排排列的效應塊，該效應塊為金納米塊。