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二元金属光栅表面等离子体共振传感器的结构与性能

【摘要】:为了进一步提高二元金属光栅表面等离子体共振(SPR)传感器的性能,实现近红外波段SPR模式的分裂,本论文在前人的基础上研究了二元光栅的SPR传感特性和其他光学特性。主要的研究工作和成果如下:(1)采用时域有限差分(FDTD)算法,对Au光栅SPR传感器的结构参数进行了优化。通过研究结构参数对光栅反射特性曲线的影响,我们发现当金属衬底厚度d?100 nm时,“衬底峰”被彻底消除,而光栅宽度和光栅深度的改变不仅对共振波长位置起修正作用,而且可以大幅度调制SPR曲线的最小反射率(MRR)和半高峰宽(FWHM)。优化后的光栅结构参数为:周期p=1530 nm,宽度w=1200 nm,深度h=25nm,厚度d=100 nm,对应的传感器折射率灵敏度为1540 nm/RIU,品质因数高达1442.2。(2)采用严格耦合波分析(RCWA)方法,对角度敏感型金属光栅SPR传感器的结构参数进行了优化和分析了Al金属氧化对性能的影响。当金属介电常数远大于待测物介电常数时,给出了波长独立的传感器极限角度灵敏度表达式。当待测物折射率na=1.32-1.36,分别采用单峰衍射法和双峰衍射法,对应工作波长?=0.85?m,优化后的SPR传感器具有的实际折射率灵敏度为292.5(344.5)?/RIU;对应工作波长?=1.55?m,其折射率灵敏度增加至338.0(396.3)?/RIU。当光栅金属氧化后,在近红外工作波长处,相应的折射率灵敏度减小幅度3.2%(2.8%),折射率探测误差?na?1.3e-3(1.1e-3)。因此,传感器性能的极小改变使得金属氧化影响可以被忽略。(3)提出了一种由双金属光栅构成的新型复合结构光栅,并研究了其气体传感特性。运用FDTD算法对该结构进行了数值模拟,发现由复合金属光栅激发的SPR出现模式分裂的现象。通过增大双金属光栅阵列间的相对位移改变原结构的对称性、导致复合金属光栅分裂的SPR模式朝相反方向移动。当相对位移量进一步增大到双光栅合并成新的单一光栅时,随光栅结构对称性的恢复、分裂的两共振模式最后又重新合并为一个模式。如果待测物的折射率为1.01?na?1.05,当相对位移量为0时,复合光栅结构气体传感器的折射率灵敏度为1207.5 nm/RIU,品质因数达到1290.7;当相对位移量为100 nm时,与双共振模式对应的折射率灵敏度分别为1205.0nm/RIU与1210.0 nm/RIU、品质因数分别为1295.4和762.3。

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