基于光學Tamm態等離激元的光折射率傳感器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于光學Tamm態等離激元的光折射率傳感器，包括金屬薄膜和分布式布拉格反射鏡，所述分布式布拉格反射鏡包括若干層相互交替排列的高折射率層和空氣層，相鄰的兩個高折射率層之間由連接塊連接，所述金屬薄膜緊鄰于分布式布拉格反射鏡中的高折射率層的一側。本發明具有結構簡單、體積小、易制作、易集成、傳感范圍大和靈敏度高等特點，為折射率傳感器的研制提供了新的手段，有助于進一步推動高靈敏度、寬測量范圍微納型光折射率傳感器的發展。
【專利說明】基于光學Tamm態等離激元的光折射率傳感器
【技術領域】
[0001]本發明屬于光電子【技術領域】，涉及傳感器件，尤其是一種基于光學Tamm態等離激元的光折射率傳感器。
【背景技術】
[0002]近年來，基于SPR (表面等離子體諧振)的光傳感器已經受到極大關注，廣泛應用于化學、生物、環境監測等方面。然而基于SPR的大多數的折射率傳感器對入射光都有特定的要求，而且傳感范圍都比較小。
[0003]光學Tamm態等離激元(OTP)作為一種界面模式，是由固體物理中的Tamm態類比而來，由A.V.Kavokin等人于2005年首次提出。作為一種特殊的表面波，和傳統的表面等離子體波(SP)相比，光學Tamm態等離激元(OTP)既可由橫電波激發，又可由橫磁波激發，并且無需特定的入射角及額外的色散匹配，形成條件相對簡單。除此之外，光學Tamm態等離激元(OTP)對光的限制能力比表面等離子體波(SP)更強。目前，光學Tamm態等離激元(OTP)已經應用在了光開關、雙穩邏輯控制、濾波器、激光器、增強寬帶吸收及非線性效應等方面。另外，光學Tamm態等離激元(OTP)在提高傳感器傳感性能方面也展示了非常好的前景O
[0004]光子晶體或者分布式布拉格反射鏡(DBR)結構被認為是觀察光學Tamm態等離激元(OTP)的理想結構，因此對于光學Tamm態等離激元(OTP)的研究也主要集中在這兩種結構上。光從金屬-DBR結構中的金屬一側入射，激發的光學Tamm態等離激元(OTP)被限制在金屬與分布式布拉格反射鏡(DBR)的分界面處，分界面處的光強最強，在垂直于分界面的兩側光強迅速衰減。
[0005]在反射譜中與光學Tamm態等離激元(OTP)對應的極小值處波長及反射率對結構參數及環境折射率變化非常敏感，可用于設計高靈敏度光學傳感器。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于:針對上述存在的問題，提供一種提高折射率測量范圍和傳感靈敏度的基于光學Ta_態等離激元的光折射率傳感器。
[0007]本發明采用的技術方案如下:
本發明提供一種基于光學Tamm態等離激元的光折射率傳感器，包括金屬薄膜和分布式布拉格反射鏡，所述金屬薄膜位于分布式布拉格反射鏡的一側。
[0008]對上述方案作進一步優選，所述分布式布拉格反射鏡包括若干層相互交替排列的高折射率層和空氣層，相鄰的兩個高折射率層之間由連接塊連接。
[0009]對上述方案作進一步優選，所述高折射率層和空氣層的厚度均為』/ 4/7，其中，Λ為分布式布拉格反射鏡的中心波長，η為高折射率層或空氣層的介質折射率。
[0010]對上述方案作進一步優選，所述金屬薄膜緊鄰于分布式布拉格反射鏡中的高折射
率層的一側。[0011]入射光從金屬薄膜一側入射，當外界環境折射率變化時，會引起反射譜中與光學Tamm態等離激元對應的極小值處的波長及反射率發生變化，通過監測它們的變化量確定外界折射率的大小。
[0012]反射譜極小值處的反射率隨環境折射率的變化曲線有一波谷，在該波谷附近，器件對折率變化的靈敏度極高，可針對該區域的折射率進行高精度傳感；改變入射光的偏振態、入射角度、分布式布拉格反射鏡的周期數或中心波長、金屬厚度，可調整高靈敏區域對應的折射率范圍。
[0013]對上述方案作進一步優選，所述金屬薄膜的材料為銀。
[0014]對上述方案作進一步優選，所述高折射率層的材料為硅。
[0015]對上述方案作進一步優選，所述連接塊的材料為二氧化硅。
[0016]綜上所述，由于采用了上述技術方案，本發明的有益效果是:
1.本發明的高折射率層/空氣層的高折射率對比結構大大減少了形成光學Tamm態等離激元所需分布式布拉格反射鏡的層數，同時被暴露在空氣層中的光場對外界折射率的變化更加敏感。
[0017]2.利用本發明綜合檢測反射譜極小值處的波長及反射率兩個參數，可同時實現折射率的寬范圍和高精度的測量。
[0018]3.本發明利用強折射率對比形成的分布式布拉格反射鏡，在分布式布拉格反射鏡周期數比較少的情況下形成光學Tamm態等離激元，降低了制作難度，并提高了傳感的靈敏度。
[0019]4.本發明通過調整金屬厚度、入射光角度、偏振態及布拉格反射鏡中心波長，可以實現反射譜極小值處反射率隨折射率的單調變化，進一步提高折射率的測量范圍。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]本發明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中:
圖1是本發明基于光學Tamm態等離激元的光折射率傳感器；
圖2是本發明實施例中選取金屬薄膜為50nm厚的銀薄膜，在入射光垂直入射情況下，反射譜中與光學Tamm態等離激元對應的極小值處波長隨外界折射率變化的曲線圖；
圖3是本發明實施例中選取金屬薄膜為50nm厚的銀薄膜，在入射光垂直入射情況下，反射譜中與光學Tamm態等離激元對應的極小值處反射率隨外界折射率變化的曲線圖；
圖4是入射光為橫電波時，不同入射角下極小值處反射率隨外界環境折射率變化的曲線圖；
圖5是入射光為橫磁波時，不同入射角下極小值處反射率隨外界環境折射率變化的曲線圖；
圖6是本發明實施例中選取金屬薄膜為56nm厚的銀薄膜，在入射光垂直入射情況下，反射譜中極小值處反射率隨外界折射率單調變化的曲線圖。
[0021]圖1中:1為金屬薄膜；2為高折射率層；3為空氣層；4為連接塊。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖及實施例對本發明作詳細說明。[0023]如圖1所示，一種基于光學Tamm態等離激元的光折射率傳感器，包括金屬薄膜I和分布式布拉格反射鏡,所述金屬薄膜I位于分布式布拉格反射鏡的一側。
[0024]所述分布式布拉格反射鏡包括若干層相互交替排列的高折射率層2和空氣層3,相鄰的兩個高折射率層2之間由連接塊4連接。
[0025]所述高折射率層2和空氣層3的厚度均為』/ 4/7，其中，』為分布式布拉格反射鏡的中心波長，η為高折射率層2或空氣層3的介質折射率。
[0026]所述金屬薄膜I緊鄰于分布式布拉格反射鏡中的高折射率層2的一側。
[0027]入射光從金屬薄膜I 一側垂直入射，當外界環境折射率變化時，會引起反射譜中與光學Tamm態等離激元對應的極小值處的波長及反射率發生變化，通過監測它們的變化量確定外界折射率的大小。
[0028]反射譜極小值處的反射率隨環境折射率的變化曲線有一波谷，該波谷附近器件對折率變化的靈敏度極高，可針對該區域的折射率進行高精度傳感；改變入射光的偏振態、入射角度、分布式布拉格反射鏡的周期數或中心波長、金屬厚度，可調整高靈敏區域對應的折射率范圍。
實施例
[0029]本實施例選取金屬薄膜I的材料為銀、高折射率層2的材料為硅、連接塊4的材料為二氧化硅。金屬銀薄膜的厚度為50nm，緊挨著金屬銀薄膜的是分布式布拉格反射鏡，由硅層和空氣層相互交替排列組成，周期數為4，硅層的厚度為l/4n，空氣層由二氧化硅層被腐蝕后得到，厚度為1/4,其中，I表不分布式布拉格反射鏡(DBR)的中心波長，η表不娃介質的折射率。本實施例中選取分布式布拉格反射鏡(DBR)的中心波長為400nm，硅的折射率為3.42時的金 屬-DBR結構。
[0030]圖2、圖3分別為上述金屬-DBR結構在入射光垂直入射情況下，反射譜中與光學Tamm態等離激元對應的極小值處波長和反射率隨外界折射率變化的曲線圖，可以看出當外界環境折射率增大時，極小值處波長向長波長方向移動；極小值處反射率在環境折射率n=l.38的轉折點處變化最為明顯。在具體傳感過程中，同時結合極小值處波長及反射率變化對折射率的影響可以提高傳感范圍和傳感靈敏度。
[0031]圖4、圖5分別為上述金屬-DBR結構在入射光為橫電波和橫磁波時,不同入射角下極小值處反射率隨外界環境折射率的變化曲線圖。可以看出，通過改變入射角可以控制和優化該傳感器的敏感性和傳感范圍。
[0032]圖6為選取金屬銀薄膜厚度為56nm時,在入射光垂直入射情況下,反射譜中極小值處反射率隨外界折射率單調變化的曲線圖。實現了反射譜中極小值處反射率隨外界折射率的單調變化，提高了測量范圍。
[0033]通過本發明，可以利用反射譜中與光學Ta_態等離激元對應的極小值處波長和/或反射率的變化量來確定外界環境折射率，這對于光學傳感具有重要實際意義。
[0034]本實施例中的金屬薄膜I的材料除了為銀以外，還可為金、鋁、銅等可與布拉格反射鏡結合并產生光學Tamm態等離激元的材料。
[0035]本實施例中的高折射率層2的材料除了為硅以外，還可為二氧化硅、鍺、砷化鎵等可與金屬薄膜I結合產生光學Tamm態等離激元的光學介質材料。[0036]本實施例中的連接塊4的材料可與高折射率層2的材料一致或為二氧化硅、二氧化鈦、鍺、砷化鎵等可與高折射率層2結合的材料。
[0037]本發明的傳感器結構還可在光纖上制作，使信號光的傳輸和收集更容易。
[0038]本發明并不局限于前述的【具體實施方式】。本發明可擴展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。
【權利要求】
1.一種基于光學Tamm態等離激元的光折射率傳感器，其特征在于:包括金屬薄膜(I)和分布式布拉格反射鏡，所述金屬薄膜(I)位于分布式布拉格反射鏡的一側。
2.根據權利要求1所述的基于光學Ta_態等離激元的光折射率傳感器，其特征在于:所述分布式布拉格反射鏡包括若干層相互交替排列的高折射率層(2)和空氣層(3),相鄰的兩個高折射率層(2)之間由連接塊(4)連接。
3.根據權利要求2所述的基于光學Tamm態等離激元的光折射率傳感器，其特征在于:所述高折射率層(2)和空氣層(3)的厚度均為』/4/7，其中，』為分布式布拉格反射鏡的中心波長，η為高折射率層(2)或空氣層(3)的介質折射率。
4.根據權利要求2所述的基于光學Tamm態等離激元的光折射率傳感器，其特征在于:所述金屬薄膜(I)緊鄰于分布式布拉格反射鏡中的高折射率層(2)的一側。
5.根據權利要求1所述的基于光學Ta_態等離激元的光折射率傳感器，其特征在于:所述金屬薄膜(I)的材料為銀。
6.根據權利要求2所述的基于光學Tamm態等離激元的光折射率傳感器，其特征在于:所述高折射率層(2)的材料為硅。
7.根據權利要求2所述的基于光學Ta_態等離激元的光折射率傳感器，其特征在于:所述連接 塊(4)的材料為二氧化硅。
【文檔編號】G01N21/41GK103728275SQ201410024486
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2014年1月20日 優先權日:2014年1月20日
【發明者】張偉利, 王芬, 饒云江, 蔣瑤 申請人:電子科技大學