一种共振峰可调的表面等离子体共振传感器基底的制作方法

本实用新型涉及表面等离子体光学传感领域，尤其涉及一种共振峰可调的表面等离子体共振传感器基底。

背景技术：

当特定波长的光入射时，贵金属纳米粒子表面的电子与入射光子在纳米粒子表面的局部区域发生强烈的共振，这一现象被称为局域表面等离子体共振。金属纳米颗粒周围的电场明显增强，对周围环境介质的折射率变化非常敏感。基于该效应的光学传感器有着免标记、灵敏度高，传感性能好，在生物、化学及传感领域受到了广泛应用。

传统的SPR传感器基底主要使用平面金膜结构，其物理机制是传导型SPR(propagating surface plasmon resonance，PSPR)。作为一种平面均匀结构，金属膜通常工作在单共振峰模式。由于SPR传感器的应用环境越来越复杂，单个共振峰易受到其它因素的干扰，往往要求基底敏感元件能在多共振峰模式下工作，更好的适用于多波段、多通道的传感检测环境。

鉴于此，有必要对现有技术进行改进以适用于多波段、多通道的传感检测环境。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种共振峰可调的表面等离子体共振传感器基底，通过微纳结构的复合减小了传感器基底体积，易于微型化，同时传感器基底能够产生多个共振峰，在一定波长范围内能够实现多波段检测，通过改变波导层厚度可以控制共振峰的数目以及改变金属阵列的周期来调节共振波长的位置。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种共振峰可调的表面等离子体共振传感器基底，包括：周期型椭圆金纳米颗粒阵列(1)以及平面光波导基底(2)；

所述平面光波导基底(2)包括紧密设置的波导层与衬底层；所述周期型椭圆金纳米颗粒阵列(1)置于平面光波导基底(2)的波导层上；

在可见光范围内，入射光从周期型椭圆金纳米颗粒阵列(1)上方垂直入射，入射光偏振方向沿x轴方向，通过调节平面光波导基底(2)的波导层厚度控制共振峰的数目，通过调节周期型椭圆金纳米颗粒阵列(1)的沿y方向的周期P_y控制共振波长的位置。

可选的，所述平面光波导基底(2)的波导层折射率n_h＝1.46；衬底层厚度s＝100nm，折射率n_s＝1.3；覆盖层为空气层，其折射率n_c＝1。

可选的，所述周期型椭圆金纳米颗粒阵列(1)的高度L_z＝30nm，周期型椭圆金纳米颗粒阵列(1)的长轴和短轴分别为L_x＝140nm和L_y＝40nm，椭圆金纳米颗粒的介电常数采用Drude模型。

可选的，所述周期型椭圆金纳米颗粒阵列(1)沿x方向的周期和y方向的周期分别为P_x＝200nm和P_y＝500nm。

可选的，传感器基底结构上下边界条件取完全匹配层，在x和y方向取周期性边界条件。

由上述本实用新型提供的技术方案可以看出，通过改变波导层厚度可以控制共振峰的数目以及改变金属阵列的P_y周期来调节共振波长的位置，满足多波段、多通道的传感检测要求。复合结构所产生的透射峰半高全宽(FWHM)很窄，透射峰尖锐，传感器的性能指标灵敏度和品质因数均满足传感检测要求，故设计的结构能够产生尖锐的透射峰，提高传感检测的灵敏度和品质因数。且本实用新型采用的是周期型纳米颗粒阵列结构可以减小传感器基底结构的体积，易于集成化，符合表面等离子体共振传感器的设计要求。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种共振峰可调的表面等离子体共振传感器基底的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的透射谱随金纳米颗粒长短轴之比的变化曲线；

图3为本实用新型实施例提供的透射谱和金属颗粒的消光谱；

图4为本实用新型实施例提供的电场分布示意图；

图5为本实用新型实施例提供的不同波导层厚度时的透射谱；

图6为本实用新型实施例提供的当波导层厚度为100nm时的折射率传感特性曲线。

图7为本实用新型实施例提供的当波导层厚度为300nm时的折射率传感特性曲线。

图8为本实用新型实施例提供的当波导层厚度为500nm时的折射率传感特性曲线。

图9为本实用新型实施例提供的当波导层厚度为700nm时的折射率传感特性曲线。

图10为本实用新型实施例提供的不同波导层厚度时透射谱随阵列周期的变化曲线。

图11为本实用新型实施例提供的波导层厚度为100nm时共振波长位置处于最小和最大波长处的折射率特性曲线。

图12为本实用新型实施例提供的波导层厚度为300nm时共振波长位置处于最小和最大波长处的折射率特性曲线。

图13为本实用新型实施例提供的波导层厚度为500nm时共振波长位置处于最小和最大波长处的折射率特性曲线。

图14为本实用新型实施例提供的波导层厚度为700nm时共振波长位置处于最小和最大波长处的折射率特性曲线。

具体实施方式

下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。

本实用新型实施例提供一种共振峰可调的表面等离子体共振传感器基底，其采用了周期型椭圆金纳米颗粒阵列(1)与平面光波导基底(2)相结合的复合结构；如图1所示，所述平面光波导基底(2)包括紧密设置的波导层与衬底层；所述周期型椭圆金纳米颗粒阵列(1)置于平面光波导基底(2)的波导层上。

在可见光范围内，入射光从周期型椭圆金纳米颗粒阵列(1)上方垂直入射，入射光偏振方向沿x轴方向，通过调节平面光波导基底(2)的波导层厚度控制共振峰的数目，通过调节周期型椭圆金纳米颗粒阵列(1)的沿y方向的周期P_y控制共振波长的位置。

优选的，所述平面光波导基底(2)的波导层折射率n_h＝1.46；衬底层厚度s＝100nm，折射率n_s＝1.3；该平面光波导基底(2)直接置于空气中，则覆盖层为空气层，其折射率n_c＝1。

优选的，所述周期型椭圆金纳米颗粒阵列(1)的高度L_z＝30nm，周期型椭圆金纳米颗粒阵列(1)的长轴和短轴分别为L_x＝140nm和L_y＝40nm，椭圆金纳米颗粒的介电常数采用Drude模型。

优选的，所述周期型椭圆金纳米颗粒阵列(1)沿x方向的周期和y方向的周期分别为P_x＝200nm和P_y＝500nm。

优选的，传感器基底结构上下边界条件取完全匹配层，在x和y方向取周期性边界条件。

为了说明上述结构的效果，下面结合附图对本实用新型进一步说明。

为了确定最佳的椭圆颗粒长短轴之比，保持椭圆颗粒长轴L_x＝140nm不变，改变短轴长度，使得长短轴之比分别为7:1、7:2、7:3、7:4和7:5，计算得到透射谱如图2所示。从图中对比可以得到当椭圆颗粒长短轴之比为7:2时，透射谷曲线最陡峭，半峰宽度最窄，符合传感检测要求，所以选取椭圆颗粒大小为长轴L_x＝140nm，L_y＝40nm。

选取阵列周期P_x＝200nm，P_y＝500nm，波导层厚度h＝300nm，其他参数保持不变。得到的透射谱如图3所示。可以看出透射谱上产生了三个透射谷，m＝1和m＝0两个透射谷分别对应波导层中传输的一阶导模和基模。第三个透射峰m＝0*产生的原因是由于P_x<<P_y，金属阵列类比于条纹垂直于y轴的一维光栅，入射光被耦合入波导激发波导模，此时平行于光栅条纹方向的电磁场分量方向不变，即波导模的电场方向沿x轴方向与金属纳米颗粒的LSP偶极子电场方向一致，满足波矢匹配条件时，激发的波导模与金纳米颗粒LSP发生耦合，产生类Fano共振现象，从而造成波导模的基模分裂成两个透射谷，反映在透射谱上如图3所示，金属颗粒的消光谱与波导模的基模在波长662.9nm处发生重和，两种模式之间发生耦合，从而造成波谱分裂。透射谱中三个透射谷的电场分布如图4所示，从左至右依次对应m＝1、m＝0、m＝0^*，从电场分布图上可知，m＝1和m＝0的电场分布集中于粒子两端，形成很强的局域场，在透射谱上表现为窄带透射谷，符合传感检测要求，而m＝0^*的电场分布于整个粒子边缘，在透射谱上表现为宽带透射谷，不符合传感检测要求，所以后文中用于传感检测的均是窄带透射谷。

根据平面光波导理论分析可知，随着波导层厚度的增加，有效折射率的个数也在增加，即波导层中将传输更高阶数的波导模。计算模拟得到相对应的透射谱曲线，如图5所示。从图中可知，模拟得到的结果与理论分析一致。当波导层初始厚度(h)为50nm依次按50nm增加到800nm时，波导层中传输更高阶的波导模，形成更多的共振峰，共振峰数目从2个增加到5个，即通过调节波导层厚度可以控制共振峰的数目。从图5可知，当波导层厚度范围在0nm～200nm时，共振峰数目为2个，当波导层厚度范围在200nm～400nm时，共振峰数目为3个，当波导层厚度范围在400nm～600nm时，共振峰数目为4个，当波导层厚度范围在600nm～800nm时，共振峰数目为5个。在一定的厚度范围内(即200nm厚度范围内)改变波导层厚度并不会改变共振峰的数目。当均匀增加或减小波导层厚度200nm时，共振峰数目依次增加或减少1个，可以将其制作为200nm厚度基片，通过增加或者减少200nm基片数目来控制共振峰数目，简单方便，降低成本。验证所产生的共振峰是否满足传感特性要求，进一步分析了其随波导层折射率变化的传感特性，分别得到不同波导层厚度的折射率传感特性曲线。当波导层厚度(h)分别为100nm、300nm、500nm和700nm时的折射率传感特性曲线分别如图6、7、8和9所示。当波导层厚度为100nm时，计算得到窄带透射谷对应的共振波长λ₁的灵敏度为170.0nm/RIU，品质因数为34。当波导层厚度为300nm时，计算得到窄带透射谷对应的共振波长λ₁、λ₂的灵敏度分别为192.5nm/RIU，373.8nm/RIU，品质因数分别为96.3，120.6。当波导层厚度为500nm时，计算得到窄带透射谷对应的共振波长λ₁、λ₂、λ₃的灵敏度分别为197.5nm/RIU，317.5nm/RIU，426.3nm/RIU，品质因数分别为123.4，158.8，170.5。当波导层厚度为700nm时，计算得到窄带透射谷对应的共振波长λ₁、λ₂、λ₃、λ₄的灵敏度分别为185.0nm/RIU，290.0nm/RIU，366.3nm/RIU，441.3nm/RIU，品质因数分别为142.3，131.8，118.2，152.2。从计算所得的灵敏度和品质因数数据可知，满足折射率传感特性要求。另外从图中还可以看出窄带透射谷对应的共振波长与波导层折射率之间存在良好的线性关系。这表明该结构具有优良的传感检测性能。

分析椭圆金纳米颗粒阵列周期对透射谱共振波长位置的影响。当改变椭圆金纳米颗粒阵列周期时，导模的传播常数将发生变化，入射光耦合入波导模的位置也相应的发生改变，在透射谱上表现为透射谷处于不同的共振波长处。固定椭圆金纳米颗粒阵列沿x轴方向的周期P_x＝200nm，只改变沿y轴方向的周期。分别计算了波导层厚度(h)为100nm、300nm、500nm和700nm的透射谱如图10所示，从图中可以看出，透射谱对椭圆金纳米颗粒阵列周期的变化很敏感，随着椭圆金纳米颗粒阵列沿y轴的周期依次增大时，透射曲线向长波长方向红移，通过调节椭圆金纳米颗粒阵列沿y轴周期控制透射谱共振波长的位置，可以将其调节到需要的共振波长处。另外从图10中可以得到，椭圆金纳米颗粒阵列周期对共振波长的调控范围。当波导层厚度为100nm时，椭圆金纳米颗粒阵列周期对共振波长的调控范围为456.5nm～644.7nm；当波导层厚度为300nm时，椭圆金纳米颗粒阵列周期对共振波长的调控范围为465.9nm～714.7nm；当波导层厚度为500nm时，椭圆金纳米颗粒阵列周期对共振波长的调控范围为460.7nm～724.8nm；当波导层厚度为700nm时，椭圆金纳米颗粒阵列周期对共振波长的调控范围为460.6nm～730.1nm。为了验证当改变椭圆金纳米颗粒阵列沿y轴周期后，共振波长位置发生偏移后是否具有良好的传感特性，进一步计算分析了当波导层厚度分别为100nm、300nm、500nm和700nm时共振波长位置处于最小波长处和最大波长处的传感特性曲线，分别如图11、12、13和14所示。从图中得到不同波导层厚度时共振波长与波导层折射率之间存在良好的线性关系，表明通过改变椭圆金纳米颗粒阵列沿y轴周期控制共振波长的位置同样具有优良的传感性能。相对于传统的棱镜型传感器而言，具有共振波长位置可调谐特性，这对设计可调谐波长检测的SPR传感器具有重要意义。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。