基于納米金屬光柵結(jié)構(gòu)的表面等離子體共振傳感研究.pdf

1、隨著納米技術(shù)的發(fā)展和表面等離子體光子學(xué)的興起，光與金屬微納米結(jié)構(gòu)相互作用時(shí)呈現(xiàn)出的新穎光學(xué)效應(yīng)及其應(yīng)用已成為一個(gè)研究熱點(diǎn)，而周期為波長量級(jí)的金屬光柵則是人們?cè)谘芯抗馀c周期性金屬結(jié)構(gòu)相互作用時(shí)常采用的一種結(jié)構(gòu)模型。本論文采用嚴(yán)格耦合波分析法（Rigorous Coupled Wave Analysis，RCWA），對(duì)基于納米金屬光柵結(jié)構(gòu)的表面等離子體共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）效應(yīng)及其傳感應(yīng)用進(jìn)行了深

2、入的研究。
　　 本論文的主要研究內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：
　　 (1)運(yùn)用數(shù)值模擬的方法研究了光柵耦合激發(fā)表面等離子體波的結(jié)構(gòu)模型中光柵周期、光柵深度、入射介質(zhì)折射率以及不同的金屬材料對(duì)表面等離子體共振特性的影響，并通過理論分析給出了相應(yīng)的物理解釋；在分別研究了基于金和鋁兩種金屬材料的光柵耦合表面等離子體傳感器傳感特性的基礎(chǔ)上，提出了一種Al-Au雙金屬層結(jié)構(gòu)的光柵耦合表面等離子體共振傳感模型。數(shù)值分析表明，該傳感器具有

3、良好的傳感特性，其角度靈敏度可達(dá)到187.2°/折射率單位，共振吸收峰的半峰值全寬（Full Width at Half Maximum, FWHM）僅為，且共振角與待測分析物的折射率具有良好的線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.99828。
　　 (2)在傳統(tǒng)Kretschmann結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，通過金屬膜層表面的光柵將表面等離子體波共振耦合為輻射模，并研究了光柵高度、光柵周期及其金屬膜層厚度對(duì)耦合效率的影響；通過對(duì)介質(zhì)光柵共振耦

4、合表面等離子體波為輻射模的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到了74.57％的峰值耦合效率。當(dāng)自然光以共振角度入射時(shí)，此結(jié)構(gòu)具有良好的偏振分束功能，其反射消光比和透射消光比分別可達(dá)到30dB和42.2dB；此外，利用表面等離子體共振條件對(duì)金屬膜層周圍介質(zhì)折射率的變化高度敏感的特點(diǎn)，構(gòu)建了一種透射型表面等離子體共振傳感模型，并對(duì)金屬光柵和介質(zhì)光柵兩種不同結(jié)構(gòu)的透射型表面等離子體共振傳感器的傳感特性進(jìn)行了對(duì)比分析，提出采用低折射率棱鏡的方法來提高這種傳感

5、器的角度靈敏度。
　　 (3)基于連續(xù)膜金屬光柵結(jié)構(gòu)，提出了一種棱鏡耦合和光柵耦合相結(jié)合的表面等離子體激發(fā)模型，分析了這種結(jié)構(gòu)在小光柵周期和大光柵周期兩種情況下的表面等離子體共振特性，并通過理論分析給出了相應(yīng)的物理解釋；研究了基于連續(xù)膜金屬光柵結(jié)構(gòu)的表面等離子體共振傳感器的靈敏度增強(qiáng)特性，并在大周期光柵情況下引入雙共振吸收峰測量法，大幅提高了表面等離子體共振傳感器的靈敏度。數(shù)值模擬顯示，其角度靈敏度可達(dá)到153.23°/折射率單

6、位，且共振角與待測分析物的折射率具有較好的線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.99997。
　　 (4)針對(duì)表面等離子體共振傳感系統(tǒng)對(duì)入射光波偏振態(tài)的要求，基于亞波長金屬光柵的形式雙折射效應(yīng)設(shè)計(jì)了一種用于可見光波段范圍的亞波長鋁光柵偏振器。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明該器件在整個(gè)可見光波段范圍內(nèi)TM偏振光的透射率大于75％，透射消光比大于38dB，且器件還具有較大的可接收入射角范圍；系統(tǒng)地分析了光柵制作誤差對(duì)該器件偏振特性的影響，并采用鋁柵條氧化