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=25 nm，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λ=0.85μm，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λ=1.55μm，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δna≤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1205.0 nm/RIU与1210.0 nm/RIU、品质因数分别为1295.4和762.3。

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1绪论

1.1引言

1.2表面等离子体的基本性质

1.3表面等离子体共振传感器研究历史和现状

1.4本论文的主要研究内容及章节安排

2表面等离子体共振传感特性模拟研究方法

2.1严格耦合波分析方法

2.2时域有限差分方法

2.3本章小结

3反射光栅型表面等离子体共振传感器设计

3.1表面等离子体共振传感器原理

3.2 表面等离子体共振传感器的主要参数

3.3波长调制传感器设计优化

3.4角度调制传感器设计优化和金属氧化研究

3.5 本章小结

4复合金属光栅模式分离与传感特性研究

4.1引言

4.2复合结构光栅的光学特性分析

4.3光栅结构参数变化对共振峰的影响

4.4基于复合光栅结构的传感特性分析

4.5本章小结

5总结与展望

5.1主要研究工作

5.2研究展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表论文目录