【摘要】：表面等離子激元共振(SPR)光纖傳感技術(shù)是結(jié)合等離子光學(xué)與光纖光學(xué)在微納尺度上實現(xiàn)對光的傳輸、耦合、諧振、放大和檢測的新方法,能夠有效克服傳統(tǒng)光纖傳感的瓶頸問題。而基于光纖端面亞波長孔陣列結(jié)構(gòu)SPR折射率傳感器對折射率變化十分敏感,是實現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)和生物相互作用定量分析和無標(biāo)記實時檢測的關(guān)鍵器件,也是未來傳感器研究的核心�，F(xiàn)有研究大多數(shù)是基于單個共振波長進行傳感分析,然而基于多個共振波長傳感分析卻少見報道。因此,本論文主要研究了具有雙共振波長特性的H形金狹縫陣列結(jié)構(gòu)和非對稱劈裂圓環(huán)陣列結(jié)構(gòu)。主要研究成果如下:1、提出了一種非對稱劈裂納米圓環(huán)的新型結(jié)構(gòu)。其中,兩個非對稱圓環(huán)構(gòu)成的非對稱法布里-珀羅腔會進一步增強表面等離激元(SPP)對光學(xué)異常透射(EOT)的作用,從而激發(fā)兩個共振透射峰;同時基于雙共振透射現(xiàn)象來研究其折射率傳感特性。采用時域有限差分的數(shù)值模擬計算方法研究了該結(jié)構(gòu)中劈裂圓環(huán)的張角與半徑,金膜厚度對雙透射峰現(xiàn)象的影響。研究發(fā)現(xiàn),雙透射峰波長可由以上主要參數(shù)有效調(diào)控,當(dāng)圓環(huán)左側(cè)張角90度、右側(cè)張角180度、外半徑100nm、內(nèi)半徑40nm、金膜厚度30nm時,該結(jié)構(gòu)具有較好的雙透射峰現(xiàn)象,其靈敏度分別為117nm/RIU和285nm/RIU。2、提出了一種基于H形金屬狹縫的新型結(jié)構(gòu)。其中,H形狹縫構(gòu)成的法布里-珀羅腔會進一步增強表面等離激元(SPP)對光學(xué)異常透射(EOT)的作用,從而激發(fā)兩個共振反射谷;同時研究基于雙共振反射現(xiàn)象的折射率傳感特性。采用時域有限差分的數(shù)值模擬計算方法研究了該結(jié)構(gòu)中狹縫長度與寬度,金膜厚度對雙共振反射現(xiàn)象的影響。研究發(fā)現(xiàn),雙共振谷波長可由以上主要參數(shù)有效調(diào)控,當(dāng)豎直狹縫長度為150nm、水平狹縫長度為200nm、狹縫寬度為50nm、金膜厚度為300nm時,該結(jié)構(gòu)具有較好的雙共振反射現(xiàn)象,其靈敏度分別為590nm/RIU和1199nm/RIU。3、初步提出基于硅模板轉(zhuǎn)移技術(shù)的光纖端面納米結(jié)構(gòu)制備方案,以期利用該方法低成本、短周期和可行性高的特點將本文所提出的結(jié)構(gòu)加以實現(xiàn)。
【圖文】：

圖 1.3 棱鏡耦合 (a) Otto 結(jié)構(gòu) (b) Kretschman 結(jié)構(gòu)界面處的入射角，2 則是光折射進入待測介質(zhì)的折射角。由式 1.1 可知，入射光全反射的臨界角為1 2 arcsinn n，根據(jù)兩種折射率的關(guān)系，當(dāng)入射角大于該臨界角時則會發(fā)生全內(nèi)反射現(xiàn)象。在全內(nèi)反射情況下，入射波的能量是穿透介質(zhì)中一定深度之后才會開始逐漸反射，即全內(nèi)反射情況下產(chǎn)生了倏逝波。而當(dāng)產(chǎn)生的倏逝波發(fā)生隧穿到達金屬的表面后，當(dāng)倏逝波和 SPP 的波矢相匹配時則會激發(fā) SPP，如圖中紅色箭頭表示。因此，棱鏡和金屬之間的間隙要足夠小，才能使得倏逝波順利隧穿介質(zhì)到達金屬界面處。當(dāng) SPP 被激發(fā)時，，入射光的能量則轉(zhuǎn)移到了 SPP 中而導(dǎo)致反射波大量衰減，表現(xiàn)為反射譜中存在明顯的最小值，即反射谷。當(dāng)介質(zhì)的折射率發(fā)生變化時，反射譜中的谷則會隨之移動，即可通過檢測反射谷位置的方式來檢測折射率的變化情況。在 Otto 提出該結(jié)構(gòu)后不久，Kretschman 便以此為基礎(chǔ)對其進行了改進，得到了一種易于控制、相對簡單的結(jié)構(gòu)。如圖 1.3（b）所示，其改進方式是將金屬直接與棱鏡接觸貼合，金屬另一側(cè)才是待測介質(zhì)。與 Otto 結(jié)構(gòu)原理類似，這里是全內(nèi)反射產(chǎn)生的倏逝波透過金屬膜到達待測介質(zhì)的界面來激發(fā) SPP，如

也就是spp0k k ，這就證明了 SPP 的波矢都是大于真空中的光波矢。如圖2.3 所示為真空光波矢和 SPP 波矢的色散曲線關(guān)系，由圖可知 SPP 的波矢始終在光波矢的右邊，當(dāng)頻率較小時兩者差別不大，但是隨著頻率的增加 SPP 的波矢開始遠遠大于光波矢。同時，SPP 的色散曲線也存在一個定義為表面等離子振蕩頻率的極限值21sp p + ，當(dāng)金屬與介質(zhì)的介電常數(shù) 互為相反數(shù)時取得。由于 SPP 的波矢總是大于光波矢，所以自由入射的光波是無法直接激發(fā) SPP的，因為無法滿足波矢匹配的條件。因此，必須使用一定的方式去補償入射光的動量來達到波矢匹配的條件，SPP 的激發(fā)方式主要有：Kretschman 結(jié)構(gòu)、Otto 結(jié)構(gòu)、近場激發(fā)結(jié)構(gòu)、光柵衍射激發(fā)結(jié)構(gòu)、表面缺陷激發(fā)結(jié)構(gòu)等。§2.3.2 SPP 的特征參數(shù)在了解 SPP 的色散關(guān)系后，我們可以進一步去分析 SPP 的各種特征長度
【學(xué)位授予單位】：桂林電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP212

【參考文獻】

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本文編號：2669826