[发明专利]一种正六边形晶格结构的金属孔阵列等离激元光纤传感器

说明书

本发明提供一种正六边形晶格结构的金属孔阵列等离激元光纤传感器，主要是在光纤体端面上设置高灵敏度的传感体，其中传感体包括衬底介质和金属孔阵列组成，而金属孔阵列N个正六边形晶格结构均匀排布金属膜上，这些多个圆孔狭缝贯通开设在金属膜上下表面；每个圆孔狭缝单元尺寸和形状完全相同且内部均填满了外界介质。所述金属薄膜、衬底介质层以及金属孔阵列构成统一整体传感结构。本发明的光纤传感器结构在近红外频段内具有较良好灵敏度性能，并且通过改变传感体相关结构参数可以有效调整光谱的带宽和共振峰的位置。结果表明，该传感器的灵敏度可达到486±6nm/RIU。其中该传感器结构简单、检测精度高及兼容性好等优点，能为环境检测和食品安全等领域提供了一个新的传感器件。

(一)技术领域

本发明涉及微纳光电子领域，属于光纤传感领域，尤其是涉及到基于表面等离子体共振(SPR)的光纤传感技术，具体来说是涉及一种正六边形晶格结构的金属孔阵列等离激元光纤传感器。

(二)背景技术

表面等离激元(surface plasmon)是金属表面的自由电子在入射光激发下形成的相干集体振荡,在共振激发下能够形成极强的电场增强和表面局域，是金属-电解质表面上存在的一种特殊的电磁波模式。这种特殊的电磁波沿着金属表面的方向传播,并在垂直于金属表面的方向上呈指数衰减,由于其独特的表面波特性,它能够将光波约束在空间尺寸远小于其自由空间波长的区域。

光学异常透射特性表现为当光入射到具有亚波长周期孔阵列的金属薄膜时,光的透射效率得到了极大的增强,突破了传统孔径衍射理论的限制。自T.W.Ebbesen等提到这种强透射光谱特性与孔阵列类型有关以来,关于此方面的研究得到了广泛的关注,并在许多方面显现出极其广阔的应用前景,比如生物传感、光学滤波器、纳米光刻、新型光源和光学存储等,并由此产生了一些与表面等离子激元相关的光学器件。

研究发现通过改变孔阵列结构的周期、金膜厚度、孔的形状、金属材料、光入射角度等参数,可以有效调节共振峰的位置以及大小。例如2009年Sandblad等人(AnalyticalChemistry,2009,81(9):3551-9)在光纤末端设计了一种亚波长条状阵列的折射率传感器灵敏度为195nm/RIU；2013年Jia等人(Nanotechnology,2013,24(19):195501)在光纤末端利用模板转移技术获得的折射率传感器的灵敏度为167nm/RIU；后续科研人员不断研究，2014年Zhang等人(Optical Engineering,2014,53(10):107-108)报道了一种复合矩形亚波长孔阵列折射率传感器灵敏度为178nm/RIU。在Reuven Gordon等人(Laser&PhotonicsReviews,2010,4(2):311-335)认为孔阵列在金属薄膜中的排列(即晶格类型)会影响通过SPP激发与耦合作用来调制的光强透射特性。对于周期性孔阵列及晶格轴的方向确定SPP激发的概率。与此同时,Carsten Rockstuhl等人(Applied Physics Letters,2007,91(15):163)也曾认为圆孔阵列的SPP耦合作用与晶格的对称性相关。晶格结构的对称性更越好，展现出较强的光透射增强效果和较窄的透射峰。后来在2012年Huy NGUYEN等人(PhotonicSensor,2012,2(3):271-276)提出了正四边形晶格结构金属圆孔结构，该结构简单、易于加工及封装尺寸小等优点，其灵敏度373±16nm/RIU，在传感探测精度性能上得到了进一步的优化；因此，基于以上分析，为了克服及改善现有微纳光学传感器探测精度及灵敏度低的问题，提出了一种正六边形晶格结构的金属孔阵列等离激元光纤传感器。

(三)发明内容

本发明主要针对现有等离激元光纤传感器灵敏度不高、检测精度差及传感性能不稳定等问题，提出了一种有效改善传感灵敏度的正六边形晶格结构的金属孔阵列等离激元光纤传感器。

本发明通过以下技术方案解决上述问题：