[发明专利]一种基于表面等离激元干涉的折射率传感器及其探测方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，特别是涉及基于表面等离激元的折射率的探测。

背景技术

表面等离激元(Surface Plasmon)通常是指在金属表面的电磁场表面模式，其特性主要表现为电磁场局域在金属的表面形成隐失场，并沿金属表面传播。在一定条件下，光和表面等离激元之间可以实现能量转换。这使得人们可以利用表面等离激元在微米乃至纳米尺度的范围内对光进行操控。因此普遍认为表面等离激元将在纳米光子技术领域获得重要应用，基于表面等离激元的各种器件的实验以及相关理论研究成为近年来的热点，吸引着众多科研人员的关注。

基于表面等离激元的传感器即为一种被广泛研究的器件。它根据表面等离激元电磁场模式依赖于金属表面处介质的介电性质(折射率)的原理，通过测量前者的改变来感应金属表面处介质的变化。由于生物或化学方面的各种过程往往就是物质变化的过程，必然会产生折射率的变化，所以利用折射率传感器可以探测这些过程的进行状态、反应速度以及结果等。而且折射率只与物质的相对含量有关，与绝对含量无关，所以对折射率可以进行微量检测。基于表面等离激元的折射率传感器则恰恰能够充分利用这一点，因为表面等离激元器件的独特性正是可以相对容易地做成微小尺寸，所以仅需微量的检测物。而且，伴随着近年来微流控和“芯片实验室”概念及相关技术的发展，包括传感器在内的各种器件都在朝着微型化和可集成化发展，这更加促进了表面等离激元折射率传感器的研究。

目前国内外报道过的表面等离激元折射率传感器主要基于三种机制：金属纳米颗粒的表面等离激元共振，表面等离激元的耦合激发，金属膜上纳米孔阵列的表面等离激元增强透过。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于表面等离激元干涉的折射率传感器及其探测方法，其不仅可实现灵敏度的显著提高，而且结构简单，制备简易，并具有利于集成的独特优势。

本发明公开了一种基于表面等离激元干涉的折射率传感器，该传感器包括：透明材料的衬底；通过磁控溅射、电子束蒸发或热蒸发方法镀在衬底上的激发部件，该激发部件的材料可以是但不限于金、银和铜并且厚度在50nm-500nm之间；利用聚焦离子束(Focused IonBeam)刻蚀的方法制备在激发部件上的相互平行的缝式散射耦合结构和缝式干涉耦合结构，其宽度小于800nm，长度小于200μm，间距大于10μm。

本发明还公开了一种基于表面等离激元干涉的折射率传感器的探测方法，该方法包括：在激发部件一侧搁置待测样品；光源在另一侧通过聚焦器件聚焦；聚焦光束通过缝式散射耦合结构在激发部件上下表面激发两路表面等离激元，更具体地，聚焦光束在缝式散射耦合结构处被散射，从而在激发部件的下表面激发起表面等离激元，然后激发部件下表面的表面等离激元通过缝式散射耦合结构耦合到激发部件的上表面，从而激发起上表面的；两路表面等离激元各自独立地传到缝式干涉耦合结构处并发生干涉；缝式干涉耦合结构处的表面等离激元被耦合为光；滤除散射光并放大光信号；探测输出信号，得到干涉强度；通过干涉结果的改变感应待测样品折射率的变化。由于表面等离激元的波矢与激发部件表面处介质(即待测样品)的折射率有关，因此如果待测样品产生变化，其折射率也相应变化，从而引起待测样品一侧表面等离激元波矢的变化，造成两路表面等离激元干涉结果的改变。通过对干涉结果的探测即可得知待测样品折射率的变化情况，再进一步得知待测样品的变化情况。

根据本发明的技术方案，两路表面等离激元的干涉可以表示为：

其中a为振幅，kSP′=2π/λSP]]>为表面等离激元的空间频率，λ_SP为表面等离激元的波长，L为两缝的间距，为与表面等离激元的激发和耦合成光的过程相关的相位项。角标1、2分别表示衬底一侧和上层介质一侧。由下式给出