基于纳米腔天线阵列的表面等离子体共振传感器的研究

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翻新时间：2015-08-26

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基于纳米腔天线阵列的表面等离子体共振传感器的研究

【摘要】研究表明，由于波长的共振飘移，金属膜表面介质上的折射率的微小变化是可以检测的。表面等离子体共振传感器可通过调制入射光的波长，引起共振峰光谱漂移，从而监测折射率的变化。这种传感器使用纳米腔天线阵列来进行折射率检测，检测灵敏度平均值为3200纳米/RIU（折射率单位），这种传感器的灵敏度是基于光栅的金属基气体传感器的两倍，从而较大的提高了传感器的灵敏度。

【关键词】气体传感器；波长调制；表面等离子体；灵敏度

表面等离子体激元（SPPs）是一种在金属-介质界面上激发并耦合电荷密度起伏的电磁振荡，在垂直于界面方向呈指数衰减。表面等离子体共振（SPR）是通过电磁耦合域在两种介质界面传导电子的集体振荡，它对局部折射率的微小变化非常敏感，可以通过调制入射光的波长来检测气体折射率，因而被广泛应用于遥感应用。SPR曲线通过三个参数来描述：倾角的位置，在倾斜的峰高，共振峰宽度。从传感器应用角度来看，靠近金属薄膜表面这一薄层的折射率变化可以通过测量共振峰光谱位移来实现监测。研究表明，SPR技术可以大大提高入射光波在纳米腔天线阵列中的局域耦合电磁场，为了将入射光转换为SPP模式，我们使用纳米腔天线阵列设计出一种新的折射率理论上的高灵敏度气体传感器。

图1显示了SPR气体传感系统装置图和纳米腔天线阵列三维示意图（周期Λ，宽度w，厚度h），金属纳米带的填充比是f=w/Λ，薄膜和纳米条均用金属银制作，银膜的厚度大于辐射的穿透深度，可以沉积在熔融石英衬底。

如果入射波的波矢量与等离子体波矢量场相等，就会激发SPR，在金属矩形纳米腔阵列产生交替的正/负电荷。如果入射波的波矢量与等离子体波矢量不匹配，则不能激发SPR，反射Hy和Ex前会在驻波的顶表面之上对相应的事件领域产生干扰。此外，入射平面波在气体层转换成一个强大的局域表面等离子体波（SPW），可以明显地降低共振峰的宽度，将峰高限制在最小值，从而提高了传感器的灵敏度。例如当入射波长1550nm时，入射波耦合到气体层，结果表明，电磁场分量在金属带和金属膜之间显著增强。

另外，当金属条周期增加时，共振角就将减小。为了将峰值高度减小到最小，同时为了抑制共振峰的宽度，带内约束需减小金属条和金属膜之间的距离，这一时期金属矩形纳米阵列的变化对传感器性能影响较小。

参考文献

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[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

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