[发明专利]周期阵列的局域等离子体共振传感器

说明书

技术领域

本发明涉及纳米光子学传感技术领域，尤其涉及局域等离子体共振相关的金属光子晶体结构折射率传感器件，其是一种周期阵列的局域等离子体共振传感器。

背景技术

表面等离子体是发生在金属/介质界面上的耦合共振形式，电子群在这层界面上集体的来回运动。这种波被俘获在界面附近，与金属表面上电子的等离子体相互作用。金属表面的电子电荷和电磁波之间的共振相互作用产生了表面等离子体并导致其具有十分独特的性质。

局域表面等离子体共振：对于金属纳米颗粒，表面等离子体波将被局域在金属纳米颗粒的边界附近，形成局域化的表面等离子体振荡(localized surface plasmon resonance)。空间局域化的表面等离子体共振，其共振特性和激发光场特性，金属颗粒尺寸、形貌、组分、排布都有密切相关性，也和所处周围介质条件相关。

利用金属纳米颗粒产生的局域等离子体共振，可以实现有效折射率传感。采用周期性金属纳米结构单元排布，组成金属纳米光子晶体结构，可以通过调节几何特征尺寸、周期等特征参数实现有效光学响应特征调制，以利用其获得高性能传感器件。本发明中则采用金属正方阵列开口环周期结构，通过设计优化参数，获得优化结果，以实现用于检测折射率变化的高灵敏度有效折射率传感器件。

局域等离子体对介质环境折射率的敏感性，是等离子体共振传感器件设计的基础。局域等离子体共振由于其特征共振线宽较宽，在作为传感元件时，阻碍限制了器件的品质因素的提升，因此，减小特征检测位置共振线宽，提高品质因子对器件工作性能的提升具有重要意义。

伍德异常发生在入射波长或入射角的某些临界点上，常被称为Rayleigh anomaly波长或Rayleigh入射角。在这些条件下，某些衍射波所对应的衍射角为90度发生掠射，它们处于存在和消失(传播波和倐逝波)的临界状态，不妨称之为瑞利边界波。由于传播波携带能量，而倐逝波不携带能量，在经过临界点时，所有传播波都要调节各自所携带的能量，以保持能量守恒。此时，衍射效率光谱范围曲线表现为在Rayleigh边界波长处发生导数跃变，常出现局部的、很窄的峰或谷。在一定条件下，我们可以利用瑞利边界波长处很窄的峰或谷作为有效探测的工作波长，同样可以获得较高的品质因子。

金属元件由于电磁场激发，而形成的类似共振线圈的诱导共振。在金属内部可以近似认为电子电荷的排布运动如导体中产生的电流。因而会产生诱生电磁场共振。与基于光子晶体结构的局域等离子体传感器比较，基于开口环共振的传感器件具有较高的探测灵敏度，而同时也显示了较宽的共振线宽。本发明利用两者结合，设计了一种基于开口环单元的光子晶体结构局域等离子体共振传感器，对探测灵敏度(S＝Δλ/Δn)和探测品质因子(FOM＝S/FWHM(半高全宽))都有了很好的改善，使得器件性能明显提高。

由于在实施方案时，具体光学信号输入端，由光纤导引，为了方便测试，可以改变入射角度，实现大角度有效探测。然而，实际应用中，目前的主要基于局域等离子体共振传感的元器件大多只是限定在正入射或是有限入射角度的条件下，检测自由度受到不同程度的限制。

一般局域等离子体传感器件由于其周期排布性质及对称性单元特征，不会有较大的偏振选择性，可以作为有效无偏或偏振弱相关传感器。但是，在有一定结构特征的单元上，由于特定的结构选择使得器件的光谱响应对不同偏振激发有不同的响应，不利于高效、便捷、快速的检测。大多数基于开口环共振的传感元件便受到了这样的约束而只能工作在限定工作条件下。

除了做光谱分析测试以外，也可以使用单色光波作为信号检测光源，而使用强度变化响应做相应检测分析。此时，如何提高信号的深宽比，以利于提高信噪比，提高检测信号辨识度、对提高检测性能很重要。由于本发明所涉及的器件，设计结果，计算预测表明，其透射光谱相应共振位置的强度深宽比大，信号调制深度高，作为单波长检测手段下，检测信号强度变化时，其有效品质因子(FOM*＝ΔI/Δn/I)也将会显示出高的品质因素。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种周期阵列的局域等离子体共振传感器，具有传感高灵敏度，窄共振线宽，高信号调制深度，大范围探测角度容忍度的优点。

本发明提供一种周期阵列的局域等离子体共振传感器，包括：

一衬底；

多个传感器单元，其排布在衬底的表面，组成周期阵列结构。