基于納米腔天線陣列的表面等離子體共振傳感器的研究

雷菊華　楊宏

【摘要】研究表明，由于波長(zhǎng)的共振飄移，金屬膜表面介質(zhì)上的折射率的微小變化是可以檢測(cè)的。表面等離子體共振傳感器可通過調(diào)制入射光的波長(zhǎng)，引起共振峰光譜漂移，從而監(jiān)測(cè)折射率的變化。這種傳感器使用納米腔天線陣列來進(jìn)行折射率檢測(cè)，檢測(cè)靈敏度平均值為3200納米/RIU（折射率單位），這種傳感器的靈敏度是基于光柵的金屬基氣體傳感器的兩倍，從而較大的提高了傳感器的靈敏度。

【關(guān)鍵詞】氣體傳感器；波長(zhǎng)調(diào)制；表面等離子體；靈敏度

表面等離子體激元（SPPs）是一種在金屬-介質(zhì)界面上激發(fā)并耦合電荷密度起伏的電磁振蕩，在垂直于界面方向呈指數(shù)衰減。表面等離子體共振（SPR）是通過電磁耦合域在兩種介質(zhì)界面?zhèn)鲗?dǎo)電子的集體振蕩，它對(duì)局部折射率的微小變化非常敏感，可以通過調(diào)制入射光的波長(zhǎng)來檢測(cè)氣體折射率，因而被廣泛應(yīng)用于遙感應(yīng)用。SPR曲線通過三個(gè)參數(shù)來描述：傾角的位置，在傾斜的峰高，共振峰寬度。從傳感器應(yīng)用角度來看，靠近金屬薄膜表面這一薄層的折射率變化可以通過測(cè)量共振峰光譜位移來實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)。研究表明，SPR技術(shù)可以大大提高入射光波在納米腔天線陣列中的局域耦合電磁場(chǎng)，為了將入射光轉(zhuǎn)換為SPP模式，我們使用納米腔天線陣列設(shè)計(jì)出一種新的折射率理論上的高靈敏度氣體傳感器。

圖1顯示了SPR氣體傳感系統(tǒng)裝置圖和納米腔天線陣列三維示意圖（周期Λ，寬度w，厚度h），金屬納米帶的填充比是f=w/Λ，薄膜和納米條均用金屬銀制作，銀膜的厚度大于輻射的穿透深度，可以沉積在熔融石英襯底。

如果入射波的波矢量與等離子體波矢量場(chǎng)相等，就會(huì)激發(fā)SPR，在金屬矩形納米腔陣列產(chǎn)生交替的正/負(fù)電荷。如果入射波的波矢量與等離子體波矢量不匹配，則不能激發(fā)SPR，反射Hy和Ex前會(huì)在駐波的頂表面之上對(duì)相應(yīng)的事件領(lǐng)域產(chǎn)生干擾。此外，入射平面波在氣體層轉(zhuǎn)換成一個(gè)強(qiáng)大的局域表面等離子體波（SPW），可以明顯地降低共振峰的寬度，將峰高限制在最小值，從而提高了傳感器的靈敏度。例如當(dāng)入射波長(zhǎng)1550nm時(shí)，入射波耦合到氣體層，結(jié)果表明，電磁場(chǎng)分量在金屬帶和金屬膜之間顯著增強(qiáng)。

我們使用一個(gè)納米腔天線陣列增強(qiáng)局部電磁場(chǎng)來提高折射率氣體傳感器的靈敏度，研究得出，采用波長(zhǎng)調(diào)制的金屬光柵SPR傳感器的靈敏度隨著波長(zhǎng)長(zhǎng)度的增加而增加。實(shí)踐中，當(dāng)入射波長(zhǎng)為1550nm時(shí)，氫氣的靈敏度為～1549.6nm/RIU（ng=1.000132）。還利用嚴(yán)格耦合波分析方法（RCWA）比較了在相同參數(shù)下的金屬光柵和納米腔天線陣列的SPR傳感器折射率曲線（λ=1550nm，Λ=1400nm，f=0.5，h=20nm，θspr=5.55o，ng=1.000132）。當(dāng)波長(zhǎng)為1550nm時(shí)，激發(fā)SPR，金屬光柵的反射率約為56%，而納米腔天線陣列的共振峰反射率僅為～0.03%；基于納米腔天線陣列的SPR傳感器的波長(zhǎng)分辨率為～3200nm/RIU，這個(gè)波長(zhǎng)分辨率是基于金屬光柵的SPR折射率傳感器（～1500nm/RIU）的兩倍，如圖2所示，實(shí)線和虛線分別表示使用波長(zhǎng)調(diào)制的納米腔天線陣列SPR傳感器及金屬光柵SPR傳感器的SPR波長(zhǎng)的DIP位置（靈敏度）。

另外，當(dāng)金屬條周期增加時(shí)，共振角就將減小。為了將峰值高度減小到最小，同時(shí)為了抑制共振峰的寬度，帶內(nèi)約束需減小金屬條和金屬膜之間的距離，這一時(shí)期金屬矩形納米陣列的變化對(duì)傳感器性能影響較小。

折射率SPR傳感器的設(shè)計(jì)是在角度一定時(shí)，測(cè)量波長(zhǎng)共振傾角的變化，來判斷被檢測(cè)氣體的折射率。在測(cè)量過程中，利用調(diào)制入射光的波長(zhǎng)，測(cè)量光譜諧振傾角的移位來檢測(cè)折射率的變化。結(jié)果表明，波長(zhǎng)的共振峰偏移的折射率的變化成線性比例。當(dāng)氣體折射率誤差為ng=0.001以及光譜位移為～3.2nm時(shí)，SPR傳感器的平均檢測(cè)靈敏度為3200nm/RIU。因此，通過調(diào)制入射光的波長(zhǎng)來檢測(cè)折射率，納米腔天線陣列SPR氣體傳感器具有較高的分辨率。

參考文獻(xiàn)

[1]Zhao Hua-Jun，High sensitivity refractive index gas sensing enhanced by surface plasmon resonance with nano-cavity antenna array.Chin.Phys.B Vol.21，No.8（2012）087104

[2]Maier S A 2007 Plasmonics：Fundamentals and Applications（Berline： Springer）

[3]Liedberg B，Nylander C and Lundstrom I 1983 Sensors and Actuators 4 299

[4]Huang Q，Zhang X D，Zhang H，Xiong S Z，Geng W D，Geng X H and Zhao Y 2010 Chin.Phys.B 19 047304

[5]Kretschmann E 1971 Z.Phys.241 313

[6]Zhao H J and Yuan D R 2010 Chin.Opt.Lett.8 1117

作者簡(jiǎn)介

雷菊華（1980.7）女，湖南，重慶市經(jīng)貿(mào)中等專業(yè)學(xué)校，碩士學(xué)位，教師，講師，研究方向：儀器儀表.

楊宏，國(guó)家電網(wǎng)公司，永川供電公司，重慶，402160，碩士研究生，工程師。