基于偏振不敏感法诺共振的全介质超表面折射率传感器的制作方法

本发明涉及微纳光学传感器领域，尤其涉及一种基于偏振不敏感法诺共振的全介质超表面折射率传感器。

背景技术：

微纳光学传感器不仅是光电子产业的重要发展方向之一，也是目前光学领域的前沿研究方向。微纳光学传感器具有灵敏度高、体积小、易于集成、损耗小等优点，其可实时监测和分析不同的化学与生物物种，在诊断学、制药学、食品安全、环境监测以及国土安全等不同领域中发挥出了强大的作用，具有广泛的应用前景，备受研究者们的关注。

传统微纳光学传感器的研究主要集中在基于表面等离激元共振(surfaceplasmonresonance，spr)的传感器。spr传感器是一种折射率传感器，主要用于测定spr传感面上介质材料折射率的变化。在贵金属/介质的界面处与光场耦合的自由电子发生了集体的相干振荡，这是由于入射光激发所引起的相互作用，这些由共振而建立起的电荷密度的振荡，称之为表面等离子激元(surfaceplasmon-polarition，spp)。然后，spp会形成一个指数衰减的电场，穿透进入到周围深度约几百纳米的介质中去。这一倏逝场(evanescentfield)高度敏感于周围介质折射率的变化，当周围介质的折射率有所改变时，则用于激发spp的入射光的特征(如：角度、波长、相位等)也会随之而变，于是它就可感知引起介质折射率变化的外来物质的存在，达到检测的目的。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足：

spr传感器的研究工作大多是采用导电性良好的贵金属材料，其缺点是有损耗且价格昂贵。由于损耗的存在，由金属材料制成的spr传感器的灵敏度、品质因数一般都不高。且现有的折射率传感器大多对入射光的偏振态敏感，为实验的测量带来了很大的不便。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于偏振不敏感法诺共振的全介质超表面折射率传感器，本发明对任何正入射光的偏振态都不敏感且能够产生法诺共振，具有高品质因数和高灵敏度，满足了实际应用中的测量需要，详见下文描述：

一种基于偏振不敏感法诺共振的全介质超表面折射率传感器，所述折射率传感器自下而上依次由介质基底和介质超表面微结构单元阵列组成，所述介质超表面微结构单元阵列由若干个介质超表面微结构单元组成；

每个介质超表面微结构单元由三个v字形介质天线组成，所述三个v字形介质天线关于x＝0平面镜像对称且具有120度的旋转对称性。

优选地，所述v字形介质天线的两臂之间的夹角为120度，每个介质超表面微结构单元沿r1和r2两个方向周期性排列；r1和r2方向之间的夹角为60度。

具体实现时，所述介质基底和所述介质超表面微结构单元的材料不同。

优选地，所述介质超表面微结构单元的材料为单晶硅、多晶硅、二氧化硅或二氧化钛中的任意一种。

优选地，所述介质基底的材料为单晶硅、二氧化硅或石英玻璃材料中的任意一种。

进一步地，所述v字形介质天线的厚度为5-200纳米。

具体实现时，所述全介质超表面折射率传感器工作在可见光波段、红外线波段及太赫兹波段中的任一波段。

其中，任意偏振态的正入射平面波的零级透射率表示为：

其中，st为零级透射平面波的坡印廷矢量，si为入射平面波的坡印廷矢量，et为零级透射平面波的电场矢量，ei为入射平面波的电场矢量，为et的共轭复数，为ei的共轭复数，nt为介质基底材料的折射率，ni为被测物质的折射率，λ为入射平面波在真空中的波长，η0为真空波阻抗零级透射率t(λ)与ci,1和ci,2无关，ci,1和ci,2是复数，分别表示入射电场ei沿p1和p2方向分量的复振幅数值，t(λ)依赖于入射平面波在真空中的波长λ，是按电场归一化的复透射系数，t(λ)＝t0(λ)，t0(λ)为入射平面波电场沿y方向偏振时零级透射平面波的透射率。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明提出的折射率传感器对任何偏振态的正入射光都不敏感且具有高品质因数、高灵敏度，满足了实际应用中的测量需要；

2、本发明设计的折射率传感器可作为某种液体或气体传感器应用到相关行业，能为实验的测量带来很大地便利。

附图说明

图1为一种基于偏振不敏感法诺共振的全介质超表面折射率传感器的局部俯视图、及介质超表面微结构单元的主视图；

其中，(a)为折射率传感器的整体局部俯视图；(b)为介质超表面微结构单元的主视图。

图2为介质超表面微结构单元的立体示意图及几何特征参数；

图3为介质超表面微结构单元的俯视图、及平面波正入射的示意图；

其中，(a)为介质超表面微结构单元的俯视图；(b)为平面波正入射的示意图。

图4为测量水溶液时，x方向线偏振、y方向线偏振及右旋圆偏振光正入射时透射率的数值计算结果示意图；

其中，图中的插图是共振谷处的放大示意图。

图5为测量水溶液时，不同偏振角度的线偏振光正入射时透射率的数值计算结果的灰度图；

其中，图中的插图是共振谷处的放大示意图。

图6为测量不同折射率的液体时，x方向线偏振光正入射时透射率的数值计算结果的示意图；

图7为测量不同折射率的液体拟合出的折射率传感器的灵敏度的示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：介质基底；

2：介质超表面微结构单元。

其中，若干个介质超表面微结构单元构成了介质超表面微结构单元阵列，本发明对阵列的行列数不做限制。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

由于全介质微纳结构对电磁波具有无损耗、宽带宽和各向同性响应的特点，克服了金属微结构和电磁波相互作用的缺点，为操控电磁场创造了新的机会，因此其在全介质微纳光学传感器方面有巨大的应用前景。

实施例1

基于上述的设计原理，本发明实施例提供了一种基于偏振不敏感法诺共振的全介质超表面折射率传感器，参见图1，该折射率传感器自下而上依次由介质基底1和介质超表面微结构单元阵列组成，介质超表面微结构单元阵列设置在介质基底1上，该介质超表面微结构单元阵列由若干个介质超表面微结构单元2组成。每个介质超表面微结构单元2沿r1和r2两个方向周期性排列。

其中，参见图2，每个介质超表面微结构单元2由三个v字形介质天线组成，三个v字形介质天线关于x＝0平面镜像对称且具有120度的旋转对称性，v字形介质天线两臂之间的夹角是θ2＝θ3＝120度，厚度为t，介质超表面微结构单元阵列的晶胞如图1中正六边形所示；每个介质超表面微结构单元2内相邻两个v字形介质天线之间的间距是d1；相邻两个介质超表面微结构单元2之间的相邻两个v字形介质天线之间的间距是d2。其中，r1和r2方向之间的夹角是θ2/2＝60度。

具体实现时，本发明实施例对介质超表面微结构单元2的数量不做限制，根据实际应用中的需要进行选择。

综上所述，本发明实施例提出的折射率传感器对任何偏振态的正入射光都不敏感且具有高品质因数、高灵敏度，满足了实际应用中的测量需要。

实施例2

下面结合具体的器件参数对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

其中，上述介质超表面微结构单元2由单晶硅、多晶硅、二氧化硅或二氧化钛及其它介质材料中的任意一种制成，具体实现时，本发明实施例对此不做限制，根据实际应用中的需要进行选择。

进一步地，介质超表面微结构单元2的厚度t优选为5-200纳米，具体实现时，本发明实施例对此不做限制，可以根据实际应用中的需要进行选择。

优选地，介质基底1由单晶硅、二氧化硅或石英玻璃材料中的任意一种制成；介质基底1和介质超表面微结构单元2的材料不同。

通过上述的设计，本发明实施例提供的全介质折射率传感器可以工作在可见光波段、红外线波段及太赫兹波段中的任意波段，满足了实际应用中的多种需要。

参见图2，每个v字形介质天线由两个第一边l1，两个第二边l2，以及两个第三边l3组成，其中一个第三边l3和一个第二边l2组成了第一天线臂，另一个第三边l3和另一个第二边l2组成了第二天线臂，每个天线臂之间的夹角为120度，即θ2＝θ3＝120度。第三边l3和第二边l2之间的距离用d表示。

其中，v字形介质天线各部分的参数如图2所示，例如：θ1＝60度，d＝160nm；每个介质超表面微结构单元2内相邻两个v字形天线之间的间距是d1＝40nm；相邻两个介质超表面微结构单元2之间相邻两个v字形天线之间的间距是d2＝40nm；v字形介质天线的其它尺寸可以通过计算得到，例如：经过计算可得v字形天线的第一边l1＝184.75nm，第二边l2＝230.94nm，|r1|＝|r2|＝692.82nm，其中|r1|和|r2|是两个相邻超表面微结构单元2的中心距。正入射平面波的波长变化范围是[880nm,980nm]。

具体实现时，本发明实施例对上述参数的取值不做限制，根据实际应用中的需要进行设定。

综上所述，本发明实施例设计的折射率传感器可作为某种液体或气体传感器应用到相关行业，能为实验的测量带来很大便利。

实施例3

下面结合图3，对本发明实施例提供的折射率传感器对入射光偏振态不敏感进行理论验证，详见下文描述：

如图3所示，介质超表面微结构单元2关于x＝0平面镜像对称，平面波自上而下正入射。

设正入射平面波电场沿y轴方向，入射电场记为：

e0,i＝ciy(1)

其中，ci是复数，表示电场沿y向分量的复振幅数值，y是沿y轴方向的单位长度矢量。因为介质超表面微结构单元2关于x＝0平面镜像对称，根据电磁场对称性原理，可得由入射电场e0,i激发的零级透射平面波电场不包含x方向分量，

表达式为：e0,t＝cit(λ)y＝t(λ)e0,i(2)

其中，t(λ)依赖于入射平面波在真空中的波长λ，是按电场归一化的复透射系数。于是，此时折射率传感器入射平面波的零级透射率t0(λ)为：

其中，s0,i和s0,t分别是入射平面波和零级透射平面波的坡印廷矢量，η0是真空波阻抗，nt是基底的折射率，ni是被测液体(或气体)的折射率，为e0,i的共轭复数，为e0,t的共轭复数。

任意偏振态的正入射平面波的电场可以表示为：

ei＝ci,1p1+ci,2p2(4)

其中，ci,1和ci,2是复数，分别表示入射电场ei沿p1和p2方向分量的复振幅数值，p1＝y，p2是单位长度矢量。

由线性叠加原理可知ei激发的透射零级平面波电场为：et＝ci,1t(λ)p1+ci,2t(λ)p2(5)

所以任意偏振态的正入射平面波的零级透射率可表示为：

其中，st为零级透射平面波的坡印廷矢量，si为入射平面波的坡印廷矢量，et为零级透射平面波的电场矢量，ei为入射平面波的电场矢量，为et的共轭复数，为ei的共轭复数。

由(6)式可知，任意偏振态的正入射平面波的零级透射率t(λ)与ci,1和ci,2无关。

又由(3)式和(6)式可得：t(λ)＝t0(λ)。

因此，该折射率传感器对任何偏振态的正入射光都不敏感，且都具有相同的透射率。

综上所述，通过理论推导验证了本发明实施例提出的折射率传感器对任何偏振态的正入射光都不敏感，满足了实际应用中的测量需要。

实施例4

下面采用实施例2中的器件参数，对本发明实施例提供的折射率传感器对入射光偏振态不敏感进行仿真验证，详见下文描述：

用该折射率传感器测量折射率n＝1.333的水溶液时，x方向线偏振、y方向线偏振及右旋圆偏振光正入射时透射率的数值计算结果如图4所示，可以看到三条透射率曲线完全吻合，说明本发明实施例设计的折射率传感器对正入射的x方向线偏振、y方向线偏振及右旋圆偏振光不敏感，能够达到同样的测量效果。

两个法诺共振谷分别在波长λ＝909.88nm和921.36nm处，品质因数(qualityfactor)q分别达到3143和2872，其中品质因数q＝λres/δλ,其中λres和δλ分别是共振谷处的波长和半高宽。

综上所述，通过仿真实验验证了本发明实施例提出的折射率传感器对x方向线偏振、y方向线偏振及右旋圆偏振的正入射光都不敏感且具有高品质因数，满足了实际应用中的测量需要。

实施例5

为了进一步验证该折射率传感器对线偏振正入射光的偏振方向不敏感，设线偏振正入射光的电场e方向与x轴的夹角为(如图1所示)，设置从0度开始以5度为步长变换到90度(具体实现时，还可以为其他的数值，本发明实施例对此不做限制)，数值计算该折射率传感器的透射率曲线，数值计算结果的灰度图如图5所示，横坐标表示入射平面波在真空中波长λ，纵坐标表示角度透射率的计算数值用0-1表示，即对应于不同程度的灰度颜色，从图5中可以看出，当保持波长λ不变，角度从0度开始以5度为步长变换到90度时，折射率传感器的透射率的数值都相等，即灰度颜色没有变化，因此可以得出本发明实施例设计的折射率传感器对正入射光的偏振方向不敏感的结论。

用该折射率传感器测量乙醇(c2h5oh，折射率n＝1.357)、戊醇(c5h11oh，折射率n＝1.401)、四氯化碳(ccl4折射率n＝1.453)和苯(c6h6折射率n＝1.485)时的数值计算结果如图6所示，可以看出谐振波长发生了明显的偏移。随着液体折射率的增加，δλ在减小，q在增加，共振波长发生了红移。当n＝1.485时q达到最大5126，δλ达到最小0.185nm。

图7是根据上述数据拟合两个法诺共振处的灵敏度，两个共振处的灵敏度s分别是186.96nm/riu和184.59nm/riu，计算得到的优值(figureofmerit，fom)分别达到716和721。

通过透射率曲线计算出谐振波长的偏移量，可以计算出被测液体(或气体)折射率的变化量，从而可以得到不同折射率对应的液体(或气体)物质。

综上所述，通过上述3个仿真实验验证了本发明实施例提出的折射率传感器对任何偏振态的正入射光都不敏感且具有高品质因数、高灵敏度，满足了实际应用中的测量需要。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。