[发明专利]一种基于双重表面等离子体共振实现折射率传感的方法

说明书

本发明公开了一种基于双重表面等离子体共振实现折射率传感的方法，属于微机电系统领域。通过在光栅层的上、下方覆盖金属薄层，形成金属‑介质复合结构，针对TM偏振光，利用光栅提供波矢匹配，在金属‑介质分界面激发表面等离子体共振；利用介质光栅脊与其上下金属界面形成的双重表面等离子体共振，实现光场能量的高度局域和共振吸收增强，使得反射光能量急剧下降，在宽带高反射光谱中形成反射谷。外界环境折射率的微小变化将引起反射谷位置的显著移动，通过监测反射光谱中反射谷位置的移动，实现对不同分析物样品的识别。

技术领域

本发明涉及一种基于双重表面等离子体共振实现折射率传感的方法，属于光纤传感器技术领域。

背景技术

表面等离子体共振是一种局域在金属-介质分界面、经由自由电子与光子相互作用形成的激发态。在这种相互作用中，入射光波引起金属界面具有相同共振频率的电子发生集体振荡，形成表面等离子体共振。基于表面等离子体共振的光学器件可以在微米和纳米尺度上操控光子传输，有望实现光子学和电子学在微纳尺度上的完美结合，在物理学、光学、材料科学和信息科学等领域极具应用价值，已成为近年来一个人们关注的焦点。

基于表面等离子体共振效应可以实现高灵敏度传感，它具有高灵敏度、免标记、非破坏性、可远程实时监测等优点，光栅结构可以为表面等离子体共振的激发提供波矢匹配，实现自由空间中传输光波与表面等离子体共振模式的耦合，因此借助光栅结构可以实现表面等离子体共振的光学传感。

以往基于光栅的表面等离子体共振折射率传感器，主要采用以下三种方式：第一种是基于光纤布拉格光栅结构，通过在光纤中引入布拉格光栅调控表面等离子体共振的激发，实现折射率传感；第二种是基于金属光栅结构，通过利用金属光栅的表面等离子体共振实现折射率传感；第三种是基于金属-介质波导光栅结构，通过利用表面等离子体共振与波导模共振的模式杂化，实现折射率传感。但是折射率传感的灵敏度有待于进一步提高。

发明内容

为了提高折射率传感的灵敏度，本发明提供了一种基于双重表面等离子体共振实现折射率传感的方法，采用在光栅的光栅层上下方覆盖金属薄层，形成金属-介质分界面结构，利用光栅提供波矢匹配，在金属-介质分界面激发表面等离子体共振；利用介质光栅脊与其上下金属界面形成的双重表面等离子体共振，引起光场能量的高度局域和光吸收率的显著增强，进而实现高灵敏度的折射率传感。

发明的第一个目的在于提供一种光栅，所述光栅具有金属-介质复合结构。

可选的，所述金属-介质复合结构为在光栅的光栅层上下方覆盖金属层形成的金属-介质复合结构。

可选的，所述在光栅的光栅层上下方覆盖金属层包括：

在光栅的光栅层上下方覆盖厚度为分别h1和h2的薄金属层；

其中，h1和h2取值范围为小于50nm，和/或不超过金属在设计波长的趋肤深度。

可选的，所述金属层和介质的材料根据波段范围选取。

可选的，所述在光栅的光栅层上下方覆盖金属层，包括：

采用电子束蒸发或磁控溅射镀膜方式镀制金属－介质复合结构多层膜，在此基础上采用电子束刻蚀或离子束刻蚀得到金属－介质复合结构光栅。

或

首先采用电子束蒸发或磁控溅射镀膜方式完成光栅层下方薄膜制备，然后基于半导体Lift-off工艺实现光栅及其上方金属覆盖层的制备：在薄膜上方采用紫外光刻方式制备光刻胶光栅掩模，在此基础上，通过电子束蒸发或磁控溅射镀膜方式完成介质光栅及其上方金属薄膜的沉积，最后通过丙酮等有机溶剂将光刻胶光栅掩模去除，进而获得金属-介质复合光栅结构。

本发明的第二个目的在于提供一种折射率传感器，所述折射率传感器为利用上述光栅制备而成的折射率传感器。