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CN113552072B - 一种基于全反射增强机制的光学传感器 - Google Patents

一种基于全反射增强机制的光学传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于全反射增强机制的光学传感器，包括基底、双层超构表面和介质间隔层，超构表面为金属纳米结构体，两个金属纳米结构体分别位于介质间隔层相对的两个平面的上表面，两个金属纳米结构体可相对旋转，介质间隔层设置在基底上方；当圆偏振光从基底方向入射，入射角大于临界角且入射角非0°且非90°，入射角为入射光方向和基底垂直方向的夹角，圆偏振光将在双层超构表面与空气间的界面发生全反射。本发明结构简单，大大降低了加工的难度；利用外致手性响应的谐振频率和圆二向色性幅值的改变均可判断外部环境折射率、浓度、手性特征等特性的变化，可拓展到在线光学检测、生物传感等领域。

Description

一种基于全反射增强机制的光学传感器
技术领域
本发明属于光学传感器领域，涉及一种基于全反射增强机制的光学传感器，主要用于外部环境的折射率、浓度、手性特征等传感测量。
背景技术
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。光学传感器依据光学原理进行测量，它有许多优点如非接触和非破坏性测量、几乎不受干扰、高速传输以及可遥测、遥控等。
超构材料是一种由特征尺寸远小于工作波长的结构单元所组成的人工材料，拥有天然材料所不具备的超常物理性质。光学超构材料是超构材料的重要分支之一，拥有可以自由设计的电磁特性，在全息摄影，超衍射极限分辨率，极化转换等具有特殊功能器件的应用方面有着巨大的潜力。
手性材料能够控制圆极化电磁波，但是自然手性材料中电场和磁场之间的交叉耦合效率很弱，而手性超构材料能够提高交叉耦合的效率，同时能够极大的提高材料的偏振控制特性，例如圆二向色性和旋光性等。主动式的光学手性超构材料能够应用于新型光学传感器、调制器和光开光等。圆二向色性是指超构材料对于左旋圆偏振光和右旋圆偏振光吸收特性不同而导致它们的透过率不同的特性。该特性可被用于测定分子的不对称结构等。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单，方便制造的新型的基于全反射增强机制的光学传感器。
为解决上述技术问题，本发明的一种基于全反射增强机制的光学传感器，包括基底、双层超构表面和介质间隔层，超构表面为金属纳米结构体，两个金属纳米结构体分别位于介质间隔层相对的两个平面的上表面，两个金属纳米结构体可相对旋转，介质间隔层设置在基底上方；当圆偏振光从基底方向入射，入射角大于临界角且入射角非0°且非90°，入射角为入射光方向和基底垂直方向的夹角，圆偏振光将在双层超构表面与空气间的界面发生全反射。
本发明还包括：
1.通过调节两个金属纳米结构体之间的旋转角度和间隔距离可改变传感器的耦合强度。
2.光学传感器利用外致手性响应的谐振频率或圆二向色性幅值的改变判断折射率、浓度、手性特征的变化。
3.介质间隔层材质为二氧化硅、氟化镁或者氧化锌。
4.基底材质为石英玻璃或氮化硅。
本发明的有益效果：本发明是一种利用全反射增强机制对外部环境的变化进行传感测量的新型光学传感器。由于简单的利用全反射产生的倏逝波对空气界面环境变化的敏感性进行传感，外致手性响应的谐振频率和圆二向色性幅值的改变均可判断外部环境折射率、浓度、手性特征等特性的变化。这种基于全反射增强机制的新型光学传感器能够轻松的通过调整入射圆偏振光的入射角度和方位角，优化系统性能获取最佳的外致手性响应增强效果。由于这种基于全反射增强机制的新型光学传感器可以通过简单的调整改变系统性能参数，结构简单，方便制造，可拓展到在线光学检测、生物传感等领域。
本发明结构简单，大大降低了加工的难度；利用外致手性响应的谐振频率和圆二向色性幅值的改变均可判断外部环境折射率、浓度、手性特征等特性的变化，可拓展到在线光学检测、生物传感等领域。可以简单的改变介质间隔层的厚度调整金属纳米结构的层间耦合强度。
附图说明
图1(a)是新型光学传感器的单元几何结构；
图1(b)是新型光学传感器的单元几何结构的主视图；
图1(c)是新型光学传感器的单元几何结构的俯视图；
图2是圆偏振光入射示意图；
图3是新型光学传感器的仿真反射图谱；
图4是新型光学传感器的圆二向色性图谱；
图5是在传感器上覆盖介质层的示意图；
图6是测量不同介质层的折射率的仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
本发明的基于全反射增强机制的新型光学传感器，可利用其强的外致圆二向色性开展传感应用，这种新型光学传感器由基底、双层超构表面和介质间隔层构成。双层超构表面由周期分布的两个金属纳米结构构成，两个金属纳米结构分别位于介质间隔层的上下两侧，并且二者之间存在旋转角，形成旋转结构体。当圆偏振光从基底方向以非0°且非90°方位角入射，且入射角度大于临界角时，圆偏振光将在双层超构表面与空气间的界面发生全反射，无透射信号，此时产生非常强的反射圆二向色性，利用圆二向色性幅值的变化，可探测外部环境的改变。
全反射增强机制是指在双层超构表面与空气界面发生的全反射，在大角度入射的情况下该光学传感器无透射信号，从而形成全反射增强机制的手性响应。
双层超构表面，由两个金属纳米结构构成，且二者之间存在结构旋转角，可以通过调节上下两个金属纳米结构之间的旋转角度和间隔距离来改变传感器的耦合强度。
介质间隔层主要是承载金属纳米结构，其厚度的变化可以调整金属纳米结构的层间耦合强度，其材料可以为二氧化硅、氟化镁、氧化锌等介质。
基底用于支撑整体结构，其材料可选用石英玻璃、氮化硅等材料。
入射圆偏振光以非0°或者非90°方位角入射，是指入射圆偏振光的方向不能与两个金属纳米结构方向重合，此时由双层超构表面与入射波矢构成的系统不能与其自身镜像重合，因此系统表现出强的外致手性响应。
外致手性光学响应依赖于入射圆偏振光的入射角度和方位角，优化系统性能可获取最佳的外致手性响应增强效果。调整入射圆偏振光的入射角度和方位角，优化系统性能可获取最佳的外致手性响应增强效果。
利用全反射产生的倏逝波将对空气界面环境变化的敏感性进行传感。
利用外致手性响应的谐振频率和圆二向色性幅值的改变均可判断外部环境折射率、浓度、手性特征等特性的变化，该传感器可拓展到在线光学检测、生物传感等领域。
由于这种新型光学传感器是亚波长结构，因而在实际应用中结构的厚度可以忽略不计。
结合图1(a)、图1(b)和图1(c)，图1(a)为该传感器的单元几何结构，图1(b)为该单元几何结构的主视图，图1(c)为该单元几何结构的俯视图。其中1为两个金属纳米结构构成的旋转结构体，其中一个金属纳米结构位于介质2顶部，另一个位于介质2的底部，采用金作为金属纳米结构的材料。Au纳米结构的长度设为240nm，宽度设为50nm，厚度设为30nm，两个纳米结构的旋转角度为90°，两个金属纳米结构的间隔距离为150nm。2为介质层，采用MgF2为介质层，介质层的长度和宽度设为300nm，厚度设为180nm。介质层的作用主要是承载金属纳米结构，固定金属纳米结构。3为结构的基底，采用玻璃作为基底，玻璃基底的长度和宽度设为300nm，介质层与基底构成一个立方体，基底相当于结构的基座。使入射光从基底方向入射，且入射光方向与传感器垂直方向的夹角为70°，如图2所示，我们可以观察到，光发生全反射，且入射光为右旋偏振光，反射光为左旋偏振光。利用CST进行仿真，仿真得到的反射图谱如图3所示，其中R++表示右旋极化波的反射系数，R+-表示圆交叉极化反射系数，R-+表示圆交叉极化反射系数，R--表示左旋圆极化反射系数。观察图3可以发现，左旋极化波和右旋极化波的反射曲线始终重合。圆交叉极化反射曲线出现两个明显的谐振峰，两个谐振峰分别出现在221THz和341THz处。为了更加直观的研究材料的圆二向色性，我们根据圆二向色性的计算公式ΔR＝R-+-R+-，得到此材料的圆二向色性图谱如图4所示。观察图4可以发现，圆二向色性有两个明显极值。在221THz处，圆二向色性达到负的0.5498。在341THz处，圆二向色性的值为0.4301。说明在这两个频率处，结构的偏振转换效果最好。
观察图5，我们在传感器单元结构上增加被分析介质层4，通过仿真不同折射率的介质层，我们得到图6所示的仿真结果。由图6我们可以看出，具有不同折射率的介质层的圆二向色性曲线的幅值的极大值是不同的，圆二向色性取极值处的频率值点也是不同的。因此我们可以通过检测谐振频率的变化和圆二向色性幅值的变化，测量介质的折射率。

Claims (5)

1.一种基于全反射增强机制的光学传感器，其特征在于：包括基底、双层超构表面和介质间隔层，超构表面包括两个互相垂直的金属纳米结构体，第一金属纳米结构体位于介质间隔层的顶部，第二金属纳米结构体位于介质间隔层的底部，介质间隔层设置在基底上方；当圆偏振光从基底方向入射，入射角大于临界角且入射角非0°且非90°，入射角为入射光方向和基底垂直方向的夹角，圆偏振光将在双层超构表面与空气间的界面发生全反射；第一金属纳米结构体、第二金属纳米结构体高度间隔距离为150nm；第一金属纳米结构体、第二金属纳米结构体均为长条形；长度均为240nm,宽度均为50nm，厚度均为30nm；介质间隔层长度和宽度为300nm，厚度为180nm；基底的长度和宽度为300nm。
2.根据权利要求1所述的一种基于全反射增强机制的光学传感器，其特征在于：通过调节两个金属纳米结构体之间的旋转角度和间隔距离可改变传感器的耦合强度。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于全反射增强机制的光学传感器，其特征在于：所述光学传感器利用外致手性响应的谐振频率或圆二向色性幅值的改变判断折射率、浓度、手性特征的变化。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于全反射增强机制的光学传感器，其特征在于：介质间隔层材质为二氧化硅、氟化镁或者氧化锌。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于全反射增强机制的光学传感器，其特征在于：基底材质为石英玻璃或氮化硅。
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