一种金属孔阵列结构的等离激元光纤传感器制造技术

本实用新型专利技术提供一种金属孔阵列结构的等离激元光纤传感器，属于微纳光电子领域，包括金属膜，金属膜上均匀排列设置有N个单位孔阵列结构，其中，每个单位孔阵列结构的中心设置有一个纳米狭缝；纳米狭缝包括一个大圆孔和两个小圆孔；大圆孔与小圆孔相连接，大圆孔和两个小圆孔的圆心在同一条直线上，两个小圆孔对称设置于大圆孔的两边；纳米狭缝贯通于金属膜的上下表面；纳米狭缝内部填充有介质层；解决现有等离激元光纤传感器透射率不高的问题。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及微纳光电子领域，具体的来说是涉及一种金属孔阵列结构的等离激元光纤传感器。
技术介绍
表面等离激元是在金属-电解质表面上存在的一种特殊的电磁波模式。是在入射光的激发下金属表面的自由电子发生集体振荡所产生的。这种特殊的电磁波沿着金属表面的方向传播，并在垂直于金属表面的方向上呈指数衰减，由于其独特的表面波特性，它能够将光波约束在空间尺寸远小于其自由空间波长的区域。光学异常透射特性表现为：当光入射到具有亚波长周期孔阵列的金属薄膜时，光的透射效率得到了极大的增强，突破了传统孔径衍射理论的限制。自1998年Ebbesen等人阐述这种光学异常透射现象以来，关于此方面的研究得到了广泛的关注，并在许多方面显现出极其广阔的应用前景，比如生物传感、光学滤波器、纳米光刻、新型光源和光学存储等，并由此产生了一些与表面等离子激元相关的光学器件。研究发现通过改变孔阵列结构的周期、金膜厚度、孔的形状、金属材料、光入射角度等参数，可以有效调节透射峰的位置，以及透射率的大小。随着科技的不断发展，传感器在生物、化学、医疗、食品等领域有着广泛的应用。但传统的传感器由于受体积、稳定性等条件的限制，不能很好的满足实际需求，而基于光纤的表面等离激元光学传感器因其体积小、功耗低、可靠性高、易于集成等一系列的优点，引起了越来越多人的注意。但现有的表面等离激元光学传感器一般是在金属膜上只设置单一的周期孔阵列结构导致透射率低或者是周期孔阵列结构过于复杂而无法加工厂成实际产品。
技术实现思路
本技术需要解决的是现有光纤等离激元传感器透射率不高的问题，提供一种金属孔阵列结构的等离激元光纤传感器。本技术通过以下技术方案解决上述问题：一种金属孔阵列结构的等离激元光纤传感器，包括金属膜，金属膜上均匀排列设置有N个单位孔阵列结构，其中，每个单位孔阵列结构的中心设置有一个纳米狭缝；纳米狭缝包括一个大圆孔和两个小圆孔；两个小圆 孔对称设置于大圆孔的两边，大圆孔与小圆孔相连接，大圆孔和两个小圆孔的圆心在同一条直线上；纳米狭缝贯通于金属膜的上下表面；纳米狭缝内部填充有介质层。为了使加工简易，上述方案中，优选的是单位孔阵列结构为正方形或长方形。上述方案中，优选的是金属膜的厚度为60nm，可以进一步提高传感器的性能。大圆孔和小圆孔的半径直接会影响到透射率的高低，为了能更好提高传感器的透射率，上述方案中，优选的是大圆孔的半径为75nm～90nm，小圆孔的半径为45nm～60nm。进一步的，上述方案中，优选的是大圆孔的半径为85nm，所述小圆孔的半径为55nm。上述方案中，优选的是大圆孔和小圆孔的圆心距d为10nm～30nm。上述方案中，优选的是介质层的介电常数为1.0～1.75。上述方案中，优选的是N为25～60的正整数。本技术的优点与效果是：1、通过在金属膜上均匀排列设置多个相同的单位孔阵列结构，在单位孔阵列结构中设置由大圆孔及对称设于大圆孔两侧的小圆孔构成的纳米狭缝，利用该结构中长程表面等离激元与局域表面等离激元通过纳米狭缝相互耦合作用，得到增强光透射的等离激元传感器；它具有光透射率高、体积小巧、易于集成，成本低廉的特点；2、在制作本方案中的等离激元光纤传感器时，可通过改变金属大小圆孔的半径、大小圆孔圆心相距的距离等，使制得的等离激元传感器获得可选择透射峰的位置，提高等离激元光纤传感器的透射率，可接近红外光谱。附图说明图1为本金属孔阵列结构的等离激元光纤传感器的结构示意图。图2为本金属孔阵列结构的等离激元光纤传感器中一个单位孔阵列结构的示意图。图3为本金属孔阵列结构的等离激元光纤传感器中采用大圆孔不同半径时的透射系数曲线图。图4为本金属孔阵列结构的等离激元光纤传感器中采用的对称的小圆孔不同半径时的透射系数曲线图。图5为本金属孔阵列结构的等离激元光纤传感器中的大圆孔与小圆孔圆心的不同距离时的透射系数曲线图。图6为本金属孔阵列结构的等离激元光纤传感器中的介质层采用不同 的介电常数时的透射率曲线图。图中标号为：1金属膜，2纳米狭缝，2.1大圆孔，2.2小圆孔,2.3介质层，3单位孔阵列结构，R大圆孔半径，r小圆孔半径，m金属膜厚度，d圆心距,P金属阵列结构长度具体实施方式以下结合实施例对本技术作进一步说明。一种金属孔阵列结构的等离激元光纤传感器，包括金属膜，金属膜1的厚度为60nm，金属膜1还可以是其他厚度，本方案中选择金属膜1的厚度为60nm是根据进行选择，并没有限定金属膜1的厚度一定为60nm。金属膜1上均匀排列设置有N个单位孔阵列结构3，N一般取25～60的正整数，用户根据需要选择其他的数量可以，图1中只画出了11个单位孔阵列结构3；单位孔阵列结构3为正方形或长方形，为了方便加工，单位孔阵列结构3为正方形，长和宽相等且均为P，单位孔阵列结构3可以为其他形状，不限定于正方形和长方形，如图1和图2所示。每个单位孔阵列结构3的中心设置有一个纳米狭缝2；纳米狭缝2包括一个大圆孔2.1和两个小圆孔2.2；两个小圆孔2.2对称设置于大圆孔2.1的两边，大圆孔2.1与小圆孔2.2相连接，其中相连接包括了相交和相离，大圆孔2.1和两个小圆孔2.2的圆心在同一条直线上，大圆孔2.1的半径R为70nm～90nm，小圆孔2.2的半径r为40nm～60nm，当大圆孔的半径为85nm，所述小圆孔的半径为55nm时，等离激元光纤传感器的光透射率最高，大圆孔2.1和小圆孔2.2的半径不限定于上述所说的范围；大圆孔2.1与小圆孔2.2的圆心距d为10nm～30nm，最好选择圆心距d为25nm。纳米狭缝2贯通于金属膜1的上下表面；纳米狭缝2内部填充有介质层2.3，介质层2.3根据使用环境不同而不同，一般可以为空气或水等，介电常数在1.0～1.75的范围内，可以很好满足光学传感器要求。本方案中，可通过改变大圆孔2.1的半径、小圆孔2.2的半径、大小圆孔圆心距和介质层的介电常数，来调节透射峰的位置与大小，从而得到一种在理想波段、具有高透射率的光谱的等离激元传感器，其最大透射系数为0.9499。本技术的工作过程：平面波从金属膜1的上表面垂直向下入射、并在金属膜1下表面出射或是平面波由金属膜1的下表面垂直向上入射、并在金属膜1的上表面透射。当平面波光束垂直入射于金属膜1其中一个表面时，大圆孔2.1产生长程表面等离激元与小圆孔2.2产生的局域表面等离激元通过与相邻纳米狭隙2相互耦合，形成一个强大的电磁场，可以大大增强了光的透射。如图3所示，为本技术的传感器的大圆孔不同半径时的透射系数曲线图，图3横坐标为入射光波长，单位为nm，图中的纵坐标为透射系数，也称之为透射效率，在图中用四种不同的曲线分别表示4个不同大圆孔2.1的半径R，大圆孔2.1的半径R依次为80、85、90、95nm。从图4中的结果可见，随着大圆孔2.1半径R的增大，透射系数先增大后减小，在半径为85nm达到最大，透射峰的位置出现蓝移，即透射峰对应的波长减小。如图4所示，为本结构的等离激元光纤传感器中采用不同小圆孔2.2半径时的透射系数曲线图。图中的横坐标及纵坐标的表示与图3的相同，在图中用四种不同的曲线分别表示4个不同小圆孔2.2的半径r，小圆孔2.2的半径r依次为45、55、60、65nm。从图4中的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属孔阵列结构的等离激元光纤传感器，包括金属膜(1)，金属膜(1)上均匀排列设置有N个单位孔阵列结构(3)，其特征在于：每个单位孔阵列结构(3)的中心设置有一个纳米狭缝(2)；纳米狭缝(2)包括一个大圆孔(2.1)和两个小圆孔(2.2)；大圆孔(2.1)均与两个小圆孔(2.2)相连接，大圆孔(2.1)和两个小圆孔(2.2)的圆心在同一条直线上，两个小圆孔(2.2)对称设置于大圆孔(2.1)的两边；纳米狭缝(2)贯通于金属膜(1)的上下表面；纳米狭缝(2)内部填充有介质层(2.3)。

【技术特征摘要】
1.一种金属孔阵列结构的等离激元光纤传感器，包括金属膜(1)，金属膜(1)上均匀排列设置有N个单位孔阵列结构(3)，其特征在于：每个单位孔阵列结构(3)的中心设置有一个纳米狭缝(2)；纳米狭缝(2)包括一个大圆孔(2.1)和两个小圆孔(2.2)；大圆孔(2.1)均与两个小圆孔(2.2)相连接，大圆孔(2.1)和两个小圆孔(2.2)的圆心在同一条直线上，两个小圆孔(2.2)对称设置于大圆孔(2.1)的两边；纳米狭缝(2)贯通于金属膜(1)的上下表面；纳米狭缝(2)内部填充有介质层(2.3)。2.根据权利要求1所述的一种金属孔阵列结构的等离激元光纤传感器，其特征在于：所述单位孔阵列结构(3)为正方形或长方形。3.根据权利要求1所述的一种金属孔阵列结构的等离激元光纤传感器，其特征在于：所述金属膜(1)的...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖功利，刘小刚，刘利，杨宏艳，王宏庆，郑龙，李海鸥，李琦，岳宏卫，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：新型
国别省市：广西;45