一种基于表面等离子体双带零反射的传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于传感器技术领域，涉及一种基于表面等离子体双带零反射的传感器。
【背景技术】
[0002] 表面等离子体是由光和金属表面自由电子的相互作用所引起的一种电磁波模式。 这种模式存在于金属与介质界面附近，其场强在界面处达到最大，且在界面两侧均沿垂直 于界面的方向呈指数式衰减。
[0003] 在表面等离子体光子学中，金属纳米颗粒的光学特性是许多应用的基础，比如表 面增强谱、近场扫描光显微镜等。在实际应用时，表面等离子体纳米结构的损耗是不可避免 的。人们一般采用优化结构的几何参数或利用增益材料来减少这种损耗。最初，推动人们对 超颖材料（Metamaterials，MM)进行研宄的动力，是能实现负折射率，这种负折射率是通过 构建等效介电常数e (?)和等效磁导率y (?)能独立表征的亚波长复合材料来实现的。 同时，超颖材料能够允许通过
^来调整阻抗，而这是天然材料无法获得的特性。 这种设计折射率n(?)和阻抗Z(?)的方法为从微波到可见光实现电磁响应，提供了前所 未有的机遇，这包括隐身、集线器、调制器及表面等离子体等技术。近几年，超颖材料完美吸 收概念的提出，激发了一个可以将表面等离子体结构中金属损耗变成优势的新研宄领域。
[0004] 市场上的光吸收器远不能满足应用所需要的最佳黑体性能。人们尤其迫切期望能 得到微纳尺度更有效的吸收器，这是因为完美吸收器在微纳尺度光连接中，对防止串扰能 起到非常重要的作用，同时，也可在传感器、太阳能光电池、超光谱影像、微测热辐射计中得 到应用，或者也可作为涂覆层用于阻止反射波。然而，目前在完美吸收（零反射）传感器方 面的研宄报道甚少。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于表面等离 子体双带零反射的传感器，该传感器主要是根据超颖材料通过阻抗配匹，将反射率减小到 最小的同时，将超颖材料的损耗最大化，以此来消除透射的思路进行结构设计。
[0006] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007] -种基于表面等离子体双带零反射的传感器，该传感器包括金属平板以及设置在 金属平板上的波导，所述的波导上设有光栅层，该光栅层包括多条呈周期性布设在波导上 的金属光栅，所述的金属光栅的周期为1000-1500nm，所述的波导的厚度为70-120nm ;
[0008] 工作时，外界平面电磁波垂直于金属光栅周期方向由上部正入射进传感器中，此 时，平面电磁波的极化方向与金属光栅周期方向平行，所述的金属光栅与金属平板相互激 发并产生反向环行电流，该环行电流产生磁共振，与入射平面电磁波的磁场产生相互作用， 并在金属光栅与金属平板之间建立局部电磁场能量，该局部电磁场能量被限制在波导中， 进而实现零反射。
[0009] 所述的金属平板为矩形金属平板，并且所述的金属光栅沿横向呈周期性布设在波 导上。
[0010] 所述的金属平板的厚度为lOOOnm。
[0011] 所述的金属光栅的长度为lOOnm，厚度为50nm〇
[0012] 所述的金属光栅的周期为1200nm。
[0013] 所述的波导为硅波导。
[0014] 所述的娃波导的厚度为90nm〇
[0015] 所述的金属平板采用金材质制备而成。
[0016] 所述的金属光栅采用银材质制备而成。
[0017] 本发明所设计的基于表面等离子体双带零反射传感器，完美吸收（零反射）只 发生在周围介质为某一特定折射率，当周围介质的折射率发生变化时，会导致非完美吸收 (非零反射），基于这一特性，能非常灵敏地测量某一固定频率条件下，反射谱强度的变化 情况。
[0018] 在实际应用中，本发明传感器的品质因子，取决于硅波导及金属光栅的几何参数 和金属光栅的周期，经实验表明，以空气为参考媒介时，其品质因素F0M*可达3084,而以水 为参考媒介时，其品质因素F0M*可达25370,这也为表面等离子体传感器的应用提供了一 个可替换的方案。
[0019] 与现有技术相比，本发明整体结构简单，可操作性强，设计的完美吸收（零反射） 传感器很灵活，通过阻抗匹配来获得在特定周围材料里的完美吸收（零反射），充分利用纳 米结构中金属的损耗，并将表面等离子体中完美吸收（零反射）这一特殊物理现象与基本 的传感原理相结合，开创了表面等离子体传感器应用的一个新途径，并将促进新的纳米生 物/化学传感器的发展。
【附图说明】
[0020] 图1为本发明结构示意图；
[0021] 图2为仿真计算得到的本发明吸收谱随金属光栅的周期变化关系图；
[0022] 图3为仿真计算得到的本发明吸收谱随硅波导厚度变化关系图；
[0023] 图4为计算所得本发明的反射谱与透射谱图；
[0024] 图5为金属光栅周围介质分别为空气及水时数值计算得到的吸收谱（a)和反射谱 (b)图；
[0025] 图6为本发明品质因素F0M#随入射波长变化关系图；
[0026] 图7为仿真计算得到的以水为参考介质时本发明的反射谱图；
[0027] 图8为本发明以水为参考介质时计算得到的品质因素FOMtl入射波长的变化关 系图；
[0028] 图中标记说明：
[0029] 1 一金属平板、2-波导、3-金属光栅、4 一平面电磁波。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0031] 实施例1 :
[0032] 如图1所示，本实施例基于表面等离子体双带零反射的传感器，包括金属平板1以 及设置在金属平板1上的波导2,波导2上设有光栅层，该光栅层包括多条呈周期性布设在 波导2上的金属光栅3,工作时，外界平面电磁波4垂直于金属光栅3周期方向由上部正入 射进传感器中，此时，平面电磁波4的极化方向与金属光栅3周期方向平行，金属光栅3与 金属平板1相互激发并产生反向环行电流，该环行电流产生磁共振，与入射平面电磁波4的 磁场产生相互作用，并在金属光栅3与金属平板1之间建立局部电磁场能量，该局部电磁场 能量被限制在波导2中，进而实现零反射。
[0033] 其中，金属平板1为矩形金属平板，采用金材质制备而成，并且金属光栅3沿横向 呈周期性布设在波导2上，波导2为硅波导，金属光栅3采用银材质制备而成。
[0034] 下面的结果是用时域有限差分方法计算得到的。计算区域包含单个周期（图1中 虚线框所包围的区域），沿着周期方向利用了周期边界条件，垂直周期方向上采用了完美匹 配吸收边界条件，平面电磁波垂直于金属光栅3周期方向从上面正入射进结构，平面电磁 波的极化方向沿着金属光栅3的周期方向。
[0035] 仿真计算得到的吸收谱（周围背景材料为空气）随金属光栅3周期及硅波导厚度 变化的关系分别如图2和3所示。
[0036] 图2仿真计算中，金属光栅3长度为100nm，厚度为50nm，周期变化范围为 1000-1500nm，以10nm为间隔，娃波导厚度为90nm，金属平板1的厚度为lOOOnm，入射平面 电磁波的波长范围是1350nm到2150nm。从图2中可以看出，吸收谱随着金属光栅3的周期 变化而变化，并且当金属光栅3的周期为1300nm时，在波长1565nm和1998nm分别得到吸 收率达99. 93%和99. 86%，即得到近似双带完美吸收（零反射）。
[0037] 图3是仿真计算得到的吸收谱（周围背景材料为空气）随硅波导厚度变化的关系 图。仿真计算中，金属光栅3长度为lOOnm，厚度为50nm，金属光栅3的周期为1200nm，娃波 导厚度变化范围为70-120nm，以10nm为间隔，金属平板1的厚度为lOOOnm。从图3中可以看 出，当硅波导厚度为8〇11111时，在波长146〇11111和188611111吸收率分别达到99.5%和99.99% ; 当硅波导厚度为9〇11111时，在波长151911111和195711111能分别得到高达99.2%和99.88%的吸 收率。
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