表面等离激元光纤端面折射率传感器研究

发布时间：2020-05-18 13:57

【摘要】：表面等离子激元共振(SPR)光纤传感技术是结合等离子光学与光纤光学在微纳尺度上实现对光的传输、耦合、谐振、放大和检测的新方法,能够有效克服传统光纤传感的瓶颈问题。而基于光纤端面亚波长孔阵列结构SPR折射率传感器对折射率变化十分敏感,是实现化学反应和生物相互作用定量分析和无标记实时检测的关键器件,也是未来传感器研究的核心。现有研究大多数是基于单个共振波长进行传感分析,然而基于多个共振波长传感分析却少见报道。因此,本论文主要研究了具有双共振波长特性的H形金狭缝阵列结构和非对称劈裂圆环阵列结构。主要研究成果如下:1、提出了一种非对称劈裂纳米圆环的新型结构。其中,两个非对称圆环构成的非对称法布里-珀罗腔会进一步增强表面等离激元(SPP)对光学异常透射(EOT)的作用,从而激发两个共振透射峰;同时基于双共振透射现象来研究其折射率传感特性。采用时域有限差分的数值模拟计算方法研究了该结构中劈裂圆环的张角与半径,金膜厚度对双透射峰现象的影响。研究发现,双透射峰波长可由以上主要参数有效调控,当圆环左侧张角90度、右侧张角180度、外半径100nm、内半径40nm、金膜厚度30nm时,该结构具有较好的双透射峰现象,其灵敏度分别为117nm/RIU和285nm/RIU。2、提出了一种基于H形金属狭缝的新型结构。其中,H形狭缝构成的法布里-珀罗腔会进一步增强表面等离激元(SPP)对光学异常透射(EOT)的作用,从而激发两个共振反射谷;同时研究基于双共振反射现象的折射率传感特性。采用时域有限差分的数值模拟计算方法研究了该结构中狭缝长度与宽度,金膜厚度对双共振反射现象的影响。研究发现,双共振谷波长可由以上主要参数有效调控,当竖直狭缝长度为150nm、水平狭缝长度为200nm、狭缝宽度为50nm、金膜厚度为300nm时,该结构具有较好的双共振反射现象,其灵敏度分别为590nm/RIU和1199nm/RIU。3、初步提出基于硅模板转移技术的光纤端面纳米结构制备方案,以期利用该方法低成本、短周期和可行性高的特点将本文所提出的结构加以实现。
【图文】：

棱镜耦合

图 1.3 棱镜耦合 (a) Otto 结构 (b) Kretschman 结构界面处的入射角，2 则是光折射进入待测介质的折射角。由式 1.1 可知，入射光全反射的临界角为1 2 arcsinn n，根据两种折射率的关系，当入射角大于该临界角时则会发生全内反射现象。在全内反射情况下，入射波的能量是穿透介质中一定深度之后才会开始逐渐反射，即全内反射情况下产生了倏逝波。而当产生的倏逝波发生隧穿到达金属的表面后，当倏逝波和 SPP 的波矢相匹配时则会激发 SPP，如图中红色箭头表示。因此，棱镜和金属之间的间隙要足够小，才能使得倏逝波顺利隧穿介质到达金属界面处。当 SPP 被激发时，，入射光的能量则转移到了 SPP 中而导致反射波大量衰减，表现为反射谱中存在明显的最小值，即反射谷。当介质的折射率发生变化时，反射谱中的谷则会随之移动，即可通过检测反射谷位置的方式来检测折射率的变化情况。在 Otto 提出该结构后不久，Kretschman 便以此为基础对其进行了改进，得到了一种易于控制、相对简单的结构。如图 1.3（b）所示，其改进方式是将金属直接与棱镜接触贴合，金属另一侧才是待测介质。与 Otto 结构原理类似，这里是全内反射产生的倏逝波透过金属膜到达待测介质的界面来激发 SPP，如

色散曲线,介质界面,色散曲线,金属

也就是spp0k k ，这就证明了 SPP 的波矢都是大于真空中的光波矢。如图2.3 所示为真空光波矢和 SPP 波矢的色散曲线关系，由图可知 SPP 的波矢始终在光波矢的右边，当频率较小时两者差别不大，但是随着频率的增加 SPP 的波矢开始远远大于光波矢。同时，SPP 的色散曲线也存在一个定义为表面等离子振荡频率的极限值21sp p + ，当金属与介质的介电常数互为相反数时取得。由于 SPP 的波矢总是大于光波矢，所以自由入射的光波是无法直接激发 SPP的，因为无法满足波矢匹配的条件。因此，必须使用一定的方式去补偿入射光的动量来达到波矢匹配的条件，SPP 的激发方式主要有：Kretschman 结构、Otto 结构、近场激发结构、光栅衍射激发结构、表面缺陷激发结构等。§2.3.2 SPP 的特征参数在了解 SPP 的色散关系后，我们可以进一步去分析 SPP 的各种特征长度
【学位授予单位】：桂林电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212

【参考文献】