基于纳米腔天线阵列的表面等离子体共振传感器的研究

雷菊华　杨宏

【摘要】研究表明，由于波长的共振飘移，金属膜表面介质上的折射率的微小变化是可以检测的。表面等离子体共振传感器可通过调制入射光的波长，引起共振峰光谱漂移，从而监测折射率的变化。这种传感器使用纳米腔天线阵列来进行折射率检测，检测灵敏度平均值为3200纳米/RIU（折射率单位），这种传感器的灵敏度是基于光栅的金属基气体传感器的两倍，从而较大的提高了传感器的灵敏度。

【关键词】气体传感器；波长调制；表面等离子体；灵敏度

表面等离子体激元（SPPs）是一种在金属-介质界面上激发并耦合电荷密度起伏的电磁振荡，在垂直于界面方向呈指数衰减。表面等离子体共振（SPR）是通过电磁耦合域在两种介质界面传导电子的集体振荡，它对局部折射率的微小变化非常敏感，可以通过调制入射光的波长来检测气体折射率，因而被广泛应用于遥感应用。SPR曲线通过三个参数来描述：倾角的位置，在倾斜的峰高，共振峰宽度。从传感器应用角度来看，靠近金属薄膜表面这一薄层的折射率变化可以通过测量共振峰光谱位移来实现监测。研究表明，SPR技术可以大大提高入射光波在纳米腔天线阵列中的局域耦合电磁场，为了将入射光转换为SPP模式，我们使用纳米腔天线阵列设计出一种新的折射率理论上的高灵敏度气体传感器。

图1显示了SPR气体传感系统装置图和纳米腔天线阵列三维示意图（周期Λ，宽度w，厚度h），金属纳米带的填充比是f=w/Λ，薄膜和納米条均用金属银制作，银膜的厚度大于辐射的穿透深度，可以沉积在熔融石英衬底。

如果入射波的波矢量与等离子体波矢量场相等，就会激发SPR，在金属矩形纳米腔阵列产生交替的正/负电荷。如果入射波的波矢量与等离子体波矢量不匹配，则不能激发SPR，反射Hy和Ex前会在驻波的顶表面之上对相应的事件领域产生干扰。此外，入射平面波在气体层转换成一个强大的局域表面等离子体波（SPW），可以明显地降低共振峰的宽度，将峰高限制在最小值，从而提高了传感器的灵敏度。例如当入射波长1550nm时，入射波耦合到气体层，结果表明，电磁场分量在金属带和金属膜之间显著增强。

我们使用一个纳米腔天线阵列增强局部电磁场来提高折射率气体传感器的灵敏度，研究得出，采用波长调制的金属光栅SPR传感器的灵敏度随着波长长度的增加而增加。实践中，当入射波长为1550nm时，氢气的灵敏度为～1549.6nm/RIU（ng=1.000132）。还利用严格耦合波分析方法（RCWA）比较了在相同参数下的金属光栅和纳米腔天线阵列的SPR传感器折射率曲线（λ=1550nm，Λ=1400nm，f=0.5，h=20nm，θspr=5.55o，ng=1.000132）。当波长为1550nm时，激发SPR，金属光栅的反射率约为56%，而纳米腔天线阵列的共振峰反射率仅为～0.03%；基于纳米腔天线阵列的SPR传感器的波长分辨率为～3200nm/RIU，这个波长分辨率是基于金属光栅的SPR折射率传感器（～1500nm/RIU）的两倍，如图2所示，实线和虚线分别表示使用波长调制的纳米腔天线阵列SPR传感器及金属光栅SPR传感器的SPR波长的DIP位置（灵敏度）。

另外，当金属条周期增加时，共振角就将减小。为了将峰值高度减小到最小，同时为了抑制共振峰的宽度，带内约束需减小金属条和金属膜之间的距离，这一时期金属矩形纳米阵列的变化对传感器性能影响较小。

折射率SPR传感器的设计是在角度一定时，测量波长共振倾角的变化，来判断被检测气体的折射率。在测量过程中，利用调制入射光的波长，测量光谱谐振倾角的移位来检测折射率的变化。结果表明，波长的共振峰偏移的折射率的变化成线性比例。当气体折射率误差为ng=0.001以及光谱位移为～3.2nm时，SPR传感器的平均检测灵敏度为3200nm/RIU。因此，通过调制入射光的波长来检测折射率，纳米腔天线阵列SPR气体传感器具有较高的分辨率。

参考文献

[1]Zhao Hua-Jun，High sensitivity refractive index gas sensing enhanced by surface plasmon resonance with nano-cavity antenna array.Chin.Phys.B Vol.21，No.8（2012）087104

[2]Maier S A 2007 Plasmonics：Fundamentals and Applications（Berline： Springer）

[3]Liedberg B，Nylander C and Lundstrom I 1983 Sensors and Actuators 4 299

[4]Huang Q，Zhang X D，Zhang H，Xiong S Z，Geng W D，Geng X H and Zhao Y 2010 Chin.Phys.B 19 047304

[5]Kretschmann E 1971 Z.Phys.241 313

[6]Zhao H J and Yuan D R 2010 Chin.Opt.Lett.8 1117

作者简介

雷菊华（1980.7）女，湖南，重庆市经贸中等专业学校，硕士学位，教师，讲师，研究方向：仪器仪表.

杨宏，国家电网公司，永川供电公司，重庆，402160，硕士研究生，工程师。