CN117309812B - 一种双光子晶体光栅耦合共振传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双光子晶体光栅耦合共振传感器，所述耦合共振传感器包括一对对称放置的光子晶体‑光栅结构，及两个光子晶体‑光栅结构间隔形成的传感腔。金属光栅用于被入射光激发，产生表面等离激元（SPP）；光子晶体与金属光栅用于构成塔姆（Tamm）结构，产生塔姆等离激元（TPP）。两种共振态可以在金属光栅附近发生耦合。对称放置的双光子晶体‑光栅结构用于耦合共振态的再次耦合。本发明使用双光子晶体‑光栅结构，可在结构中央的腔内发生耦合共振，用于构成光学折射率传感器。本发明使用的耦合共振机理具有高灵敏度，高品质因素和多波段等特点，优化了表面等离激元与塔姆等离激元在光学折射率传感中的表面灵敏度与品质因素。
Description
技术领域
本发明属于耦合共振传感技术领域，特别是一种双光子晶体光栅耦合共振传感器。
背景技术
表面等离子激元（SPP），是指在金属表面存在的自由振动的电子与入射光子相互作用产生的沿着金属表面传播的电子疏密波，是一种特殊的电磁模式，能将电磁场局限在金属表面很小的范围并发生共振增强。利用表面等离子激元（SPP）可以产生表面等离子体共振（SPR）。表面等离子体共振（SPR）具有实时、无标记、灵敏地检测等优点，可以应用于传感等方面。其中普通的表面等离子体共振（SPR）生物传感器使用涂在玻璃基板上的平板金薄膜。基于金纳米孔、纳米棒、纳米棒和其他复杂纳米结构的等离子体生物传感器已经得到了广泛的研究。然而，表面等离子体共振（SPR）在金属中有很大的吸收损失，这导致了较低的谐振质量。谐振品质因数(Q)对表面等离子体共振（SPR）传感器的检测极限起着重要的作用。由于金属损耗，表面等离子体共振传感器的品质因素一直有待提高。
塔姆（Tamm）等离子体激元（TPPs），是一种存在于金属与分布布拉格反射镜（DBR）的共振模式，与传统的表面等离子激元模式不同，塔姆等离激元发生在金属层与介质界面处，具有高品质因数（Q）共振，并允许直接从自由空间进行耦合，并在光谱中提供极高的反射率。其具有比表面等离子激元（SPP）更小的损耗，同时具有更高的品质因数（Q），表现出更窄的共振峰。它可应用于激光器、光开关、滤波器、热发射器和传感器等。近年来对DBR结构上的金属薄膜得到了广泛的研究。然而塔姆（Tamm）等离子体激元（TPP）的大部分光场位于金属与分布布拉格反射镜（DBR）表面，即发生在金属层下方，与表面等离子体共振（SPR）相比，表面灵敏度较低。
为了提高传感器的品质因素与表面灵敏度，可以利用塔姆等离激元和表面等离激元在强耦合条件下的杂化等离子体模式。金薄膜被一个金光栅所取代。周期纳米结构上的表面等离子体共振是光栅的表面等离激元。高阶塔姆等离激元与光栅表面等离激元模式之间的强耦合在反射系统中产生了一种尖锐的混合模式。布拉格结构有助于减少金属中的表面等离子体共振损失，在不降低表面灵敏度的情况下，大大提高了共振质量。然而当表面等离子激元（SPP）与塔姆等离子体激元（TPP）耦合时，因有一层金属膜进行阻挡，削弱耦合，影响其效果。这种结合了金属光栅与光子晶体的耦合共振传感的品质因素与灵敏度仍然有待提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双光子晶体光栅耦合共振传感器，该耦合共振传感器具有高灵敏度，高品质因素和多波段等特点。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种双光子晶体-光栅耦合共振传感器，所述耦合共振传感器包括一对对称排布的光子晶体-光栅结构，两个光子晶体-光栅结构之间形成的传感腔，可产生双表面等离激元-塔姆等离激元耦合共振，并可在传感腔中实现光学折射率传感。
进一步地，所述光栅结构的材料为金属。
进一步地，对于金属光栅结构，光栅激发的表面等离激元共振波长与光栅周期P需满足以下公式：
其中，m为光栅的衍射阶数，为光栅金属材料的介电常数，/>为光栅所处区域介质的折射率；改变光栅周期P，可调整表面等离激元共振波长。
进一步地，所述光子晶体由上下交替放置的两种介质材料组成。
进一步地，所述两种介质材料的对数与所激发的塔姆等离激元的共振峰的形状有关，需使用6对或以上的两种介质材料以激发高品质因素的塔姆等离激元。
进一步地，对于覆盖了金属光栅结构的光子晶体，光子晶体材料及厚度与所激发的塔姆等离激元的共振频率需满足以下公式：
其中，为光子晶体的布拉格频率，由公式/>确定，/>为光子晶体中A介质的折射率，/>为A介质的厚度，/>为光子晶体中B介质的折射率，b为B介质的厚度；/>为光子晶体周围介质的介电常数，/>为覆盖光子晶体的金属光栅材料的等离子体频率，/>由公式/>确定；改变构成光子晶体的两种材料的种类以及厚度，可调整塔姆等离激元的共振波长。
进一步地，通过调节金属光栅结构的周期与光子晶体结构的介质材料或厚度，使两种共振波长处于相近范围内，使两种共振发生共振耦合，需满足如下关系：
。
进一步地，两个光子晶体-光栅结构可分别发生一次表面等离激元与塔姆等离激元的共振耦合，并且这两个耦合后的共振可发生叠加。
进一步地，为了使两个光子晶体-光栅结构的上下层的耦合共振的叠加效果良好，两个光子晶体-光栅结构的间隔距离即传感腔的长度L满足：L = 300 nm~500 nm。
进一步地，当耦合共振传感器应用于折射率传感时，待测样品置于传感腔内部，通过改变传感腔中的介质折射率，耦合共振的共振波长会发生偏移，不同折射率的样品会产生不同共振波长的共振峰，通过分析共振光谱可以得出样品的折射率。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1）本发明使用双光子晶体-光栅耦合共振机理，具有高灵敏度，高品质因素和多波段等特点。
2）本发明双光子晶体-光栅耦合共振结构使用优化了表面等离激元与塔姆等离激元在光学折射率传感中的表面灵敏度与品质因素，在传感等方面有更广泛的应用。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明中双光子晶体-光栅耦合共振传感器结构示意图。
图2为单个塔姆（Tamm）结构的反射光谱图。
图3为单个光子晶体-光栅结构的反射光谱图。
图4（a）为双光子晶体-光栅结构的反射光谱图，图4（b）-图4（d）分别为各峰值波长位置下的电场图。
图5为双Tamm加光栅结构，腔折射率为1.33到1.37的折射率扫描图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的几个实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示诸如上、下、左、右、前、后……，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态如附图所示下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
在一个实施例中，提供了一种双光子晶体-光栅耦合共振传感器，所述耦合共振传感器包括一对对称放置的光子晶体、金属光栅及两个光子晶体-光栅结构间隔形成的传感腔。金属光栅用于被入射光激发，产生表面等离激元（Surface Plasmon Polariton, SPP）；光子晶体与金属光栅用于构成塔姆（Tamm）结构，产生塔姆等离激元（Tamm PlasmonPolariton, TPP）。两种共振态可以在金属光栅附近发生耦合。对称放置的双光子晶体-光栅结构用于耦合共振态的再次耦合。本发明使用双光子晶体-光栅结构，可在结构中央的腔内发生耦合共振，用于构成光学折射率传感器。
进一步地，在一个实施例中，所述耦合共振传感器的金属光栅结构材料为金。
对于金属光栅结构，入射光可以直接激发表面等离激元，构成耦合共振的其中一部分。金光栅的表面等离激元共振波长由以下公式给出：
其中m为光栅的衍射阶数，P为光栅周期，为光栅金属材料的介电常数，/>为光栅所处区域介质的折射率。当改变光栅周期时，表面等离激元共振波长会发生改变。
进一步地，在其中一个实施例中，所述光子晶体由上下交替放置的两种介质材料组成。两种介质材料的对数与所激发的塔姆等离激元的共振峰的形状有关，需使用6对或以上的两种介质材料以激发高品质因素的塔姆等离激元.
这里优选地，所述光子晶体由6对交替放置地氮化硅（Si3N4）和二氧化硅（SiO2）组成。
进一步地，在其中一个实施例中，对于覆盖了金属光栅结构的光子晶体，入射光可以直接激发塔姆等离激元共振，构成耦合共振的其中一部分。所激发的塔姆等离激元共振的频率由以下公式给出：
其中，为光子晶体的布拉格频率，由公式/>确定，/>为光子晶体中A介质的折射率，/>为A介质的厚度，/>为光子晶体中B介质的折射率，b为B介质的厚度；/>为光子晶体周围介质的介电常数，/>为覆盖光子晶体的金属光栅材料的等离子体频率，/>由公式/>确定。当改变组成光子晶体的两种介质的材料或者厚度时，塔姆等离激元的共振波长会发生改变。
进一步地，在其中一个实施例中，所述耦合共振传感器，可以通过调节金属光栅结构的周期与光子晶体结构的介质材料或厚度，使两种共振波长处于相近范围内，使所述两种共振发生共振耦合，需满足公式：
。
进一步地，在其中一个实施例中，所述耦合共振传感器，对称放置两个完全相同的光子晶体-光栅结构，可以在相同波长下再次发生共振耦合。
进一步地，在其中一个实施例中，所述耦合共振传感器，已经发生过耦合的表面等离激元与塔姆等离激元共振可以在耦合共振下，在相同波长处再次耦合。
进一步地，在其中一个实施例中，所述耦合共振传感器，其对称放置的双光子晶体-光栅结构，其间隔距离，即传感腔的长度需满足L = 300 nm - 500 nm，以确保合适的耦合效率。
进一步地，在其中一个实施例中，所述耦合共振传感器，当改变传感腔中的介质折射率时，耦合共振的共振波长会发生偏移。待测样品置于谐振腔内部。不同折射率的样品会产生不同共振波长的共振峰。
作为一种具体示例，在其中一个实施例中，对本发明进行进一步验证说明。
结合图1，在本实施例中，提供了一种双光子晶体-光栅耦合共振传感器，所述可调吸收器包括一对对称放置的光子晶体、金属光栅及两个光子晶体-光栅结构间隔形成的传感腔。
所述耦合共振传感器结构为长方体，最顶层和最底层为一对对称放置的光子晶体，顶层下方与底层上方为金属光栅，两个光子晶体-光栅结构的间隔形成传感腔。光子晶体长为10 μm，宽为1.74 μm，厚度均为0.2 μm，所述光子晶体由交替放置的6对氮化硅（Si3N4）和二氧化硅（SiO2）组成。金属光栅的长为10 μm，宽为1.74 μm，厚度均为0.05 μm其光栅间隔为400 nm。金属光栅用于被入射光激发，产生表面等离激元（SPP）；光子晶体与金属光栅用于构成塔姆（Tamm）结构，产生塔姆等离激元（TPP）。两种共振态在金属光栅附近发生耦合。而双光子晶体-光栅结构用于耦合共振态的再次耦合，在结构中央的腔内发生耦合共振，用于构成光学折射率传感器。
如图2所示，为单塔姆（Tamm）结构的反射光谱，单塔姆（Tamm）结构由光子晶体和一层金属薄膜构成。其反射光谱只有较少，较宽的共振峰。
如图3所示，为单光子晶体-光栅结构的反射光谱，其结构在单塔姆（Tamm）结构的基础上，用金属光栅来替换金属薄膜。
图4（a）为双光子晶体-光栅结构的反射光谱，图4（b）是波长为746 nm的电场图，图4（c）是波长为862 nm的电场图，图4（d）是波长为945 nm的电场图，反映了塔姆等离激元和表面等离激元的耦合情况。
如图5所示，为双光子晶体-光栅结构中腔折射率为1.33到1.37的折射率扫描图，与上述图3所述的单光子晶体光栅结构相比，本发明双光子晶体-光栅结构具有更多的共振峰。在改变折射率的情况下，共振峰的共振波长有着细微的线性移动。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (7)
1.一种双光子晶体光栅耦合共振传感器，其特征在于，所述耦合共振传感器包括一对对称排布的光子晶体-光栅结构，两个光子晶体-光栅结构之间形成的传感腔，可产生双表面等离激元-塔姆等离激元耦合共振，并可在传感腔中实现光学折射率传感；所述光栅结构的材料为贵金属；
对于金属光栅结构，光栅激发的表面等离激元共振波长与光栅周期P需满足以下公式：
其中，m为光栅的衍射阶数，/>为光栅金属材料的介电常数，/>为光栅所处区域介质的折射率；改变光栅周期P，可调整表面等离激元共振波长；
对于覆盖了金属光栅结构的光子晶体，光子晶体材料及厚度与所激发的塔姆等离激元的共振频率需满足以下公式：
其中，/>为光子晶体的布拉格频率，由公式确定，/>为光子晶体中A介质的折射率，/>为A介质的厚度，/>为光子晶体中B介质的折射率，b为B介质的厚度；/>为光子晶体周围介质的介电常数，/>为覆盖光子晶体的金属光栅材料的等离子体频率，/>由公式/>确定；改变构成光子晶体的两种材料的种类以及厚度，可调整塔姆等离激元的共振波长。
2.根据权利要求1所述的双光子晶体光栅耦合共振传感器，其特征在于，所述光子晶体由上下交替放置的两种介质材料组成。
3.根据权利要求2所述的双光子晶体光栅耦合共振传感器，其特征在于，所述两种介质材料的对数与所激发的塔姆等离激元的共振峰的形状有关，需使用6对或以上的两种介质材料以激发高品质因素的塔姆等离激元。
4.根据权利要求1所述的双光子晶体光栅耦合共振传感器，其特征在于，通过调节金属光栅结构的周期与光子晶体结构的介质材料或厚度，使两种共振波长处于相近范围内，使两种共振发生共振耦合，需满足如下关系：
。
5.根据权利要求1所述的双光子晶体光栅耦合共振传感器，其特征在于，两个光子晶体-光栅结构可分别发生一次表面等离激元与塔姆等离激元的共振耦合，并且这两个耦合后的共振可发生叠加。
6.根据权利要求1所述的双光子晶体光栅耦合共振传感器，其特征在于，两个光子晶体-光栅结构的间隔距离即传感腔的长度L满足：L = 300 nm~500 nm。
7.根据权利要求1所述的双光子晶体光栅耦合共振传感器，其特征在于，当耦合共振传感器应用于折射率传感时，待测样品置于传感腔内部，通过改变传感腔中的介质折射率，耦合共振的共振波长会发生偏移，不同折射率的样品会产生不同共振波长的共振峰，通过分析共振光谱可以得出样品的折射率。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 传感品质因数增强的塔姆- 表面等离激元杂化模式;魏欣然 等;《光电工程》;第49卷(第11期);220217-1~220217-10 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117309812A (zh) | 2023-12-29 |
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