二元金屬光柵表面等離子體共振傳感器的結(jié)構與性能.pdf

1、為了進一步提高二元金屬光柵表面等離子體共振(SPR)傳感器的性能，實現(xiàn)近紅外波段SPR模式的分裂，本論文在前人的基礎上研究了二元光柵的SPR傳感特性和其他光學特性。
　　主要的研究工作和成果如下：
　　(1)采用時域有限差分(FDTD)算法，對Au光柵SPR傳感器的結(jié)構參數(shù)進行了優(yōu)化。通過研究結(jié)構參數(shù)對光柵反射特性曲線的影響，我們發(fā)現(xiàn)當金屬襯底厚度d?100 nm時，“襯底峰”被徹底消除，而光柵寬度和光柵深度的改變不僅對共振

2、波長位置起修正作用，而且可以大幅度調(diào)制SPR曲線的最小反射率(MRR)和半高峰寬(FWHM)。優(yōu)化后的光柵結(jié)構參數(shù)為：周期p=1530 nm，寬度w=1200 nm，深度h=25 nm，厚度d=100 nm，對應的傳感器折射率靈敏度為1540 nm/RIU，品質(zhì)因數(shù)高達1442.2。
　　(2)采用嚴格耦合波分析(RCWA)方法，對角度敏感型金屬光柵SPR傳感器的結(jié)構參數(shù)進行了優(yōu)化和分析了Al金屬氧化對性能的影響。當金屬介電常數(shù)遠

3、大于待測物介電常數(shù)時，給出了波長獨立的傳感器極限角度靈敏度表達式。當待測物折射率na=1.32-1.36，分別采用單峰衍射法和雙峰衍射法，對應工作波長λ=0.85μm，優(yōu)化后的SPR傳感器具有的實際折射率靈敏度為292.5(344.5)°/RIU；對應工作波長λ=1.55μm，其折射率靈敏度增加至338.0(396.3)°/RIU。當光柵金屬氧化后，在近紅外工作波長處，相應的折射率靈敏度減小幅度<3.2％(2.8%)，折射率探測誤差δn

4、a≤1.3e-3(1.1e-3)。因此，傳感器性能的極小改變使得金屬氧化影響可以被忽略。
　　(3)提出了一種由雙金屬光柵構成的新型復合結(jié)構光柵，并研究了其氣體傳感特性。運用FDTD算法對該結(jié)構進行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)由復合金屬光柵激發(fā)的SPR出現(xiàn)模式分裂的現(xiàn)象。通過增大雙金屬光柵陣列間的相對位移改變原結(jié)構的對稱性、導致復合金屬光柵分裂的SPR模式朝相反方向移動。當相對位移量進一步增大到雙光柵合并成新的單一光柵時，隨光柵結(jié)構對稱性的恢