1 延安大学物理与电子信息学院, 陕西 延安 716000
2 陕西师范大学物理与信息技术学院, 陕西 西安 710119
利用有限元法对领结状金纳米二聚体结构的表面等离激元共振特性进行了探究, 研究发现在几何形状保持不变的条件下, 二聚体共振波长位移与粒子间距呈e的负指数变化, 并且指数衰减系数与粒子大小无关。进一步分析了纳米结构附近电场分布, 发现共振条件下单体结构的x 轴和y 轴电场分布都遵守e的负指数衰减规律, 且场强与入射电磁波的偏振方向有关;而受二聚体间表面等离激元耦合因素的影响, 二聚体之间的距离对场强的衰减速率有着巨大的影响。最后, 对二聚体共振吸收强度进行了研究, 发现吸收强度与二聚体距离之间的关系仍为e的负指数函数规律。本研究结果对微距传感、粒子捕获等具有重要的指导意义。
光谱学 指数衰减 有限元法 二聚体 共振波长 电场分布 spectroscopy exponential decay finite element method dimer resonant wavelength electric field distribution
中国科学院电工研究所微纳加工技术和智能电气设备研究部,北京 100190
利用原子层沉积技术在具有二维结构的石英玻璃上制备出二氧化钛(TiO2)薄膜,并在不同的温度下进行退火处理。对样品的晶体结构、表面形貌、表面粗糙度以及光谱特性进行研究,结果表明:当热处理温度为200~400 ℃时,所制备的二氧化钛薄膜具有较好的锐钛矿结构,无其他杂相存在。随着热处理温度的增加,薄膜晶粒尺寸逐渐增大,薄膜折射率变大,但表面粗糙度均小于0.4 nm。研究了由单层二维结构光栅和光波导层(二氧化钛薄膜)组成的导模共振滤波器,采用严格耦合波理论分析了该装置在不同条件下的光谱特性。结果表明,通过改变光波导层二氧化钛薄膜的折射率,可以控制该装置共振波长的位置,并保持窄线宽特性。该装置的波长控制范围为946.9~967.9 nm,半峰全宽小于0.8 nm。
薄膜 二氧化钛 原子层沉积 导模共振 严格耦合波理论 共振波长
南京邮电大学电子与光学工程微电子学院,江苏 南京 210023
提出了一种新型传感器结构,基于正十六边形光子晶体光纤(PCF)的D型表面等离子体共振(SPR)传感器,实现了折射率(RI)和温度的同时测量,同时实现了较大范围内折射率和温度的动态检测。可以同时实现折射率为1.230~1.355、温度为5~85 ℃的检测。结果显示,折射率在1.330~1.355范围内时,灵敏度为1645.7 nm/RIU;在整个可测范围内最大灵敏度为1497.6 nm/RIU。温度范围在20~60 ℃时,灵敏度最高可达-2.68 nm/℃;在整个可测范围内灵敏度最高可达-3 nm/℃。此结构的优势在于可在较大范围内独立检测RI和温度的同时又能保证相对较高的灵敏度。
光纤光学 光子晶体光纤传感器 表面等离子体共振 有限元法 共振波长 折射率 温度 激光与光电子学进展
2022, 59(7): 0706001
1 中国科学院上海技术物理研究所 红外物理国家重点实验室,上海 200083
2 中国科学院大学北京 100049
3 上海师范大学 数理学院,上海 200234
4 上海科技大学 物质科学与技术学院,上海 201210
5 复旦大学 材料科学系 ASIC与系统国家重点实验室,上海 200433
测量了金属腔量子阱红外探测器在斜入射条件下的光电流谱,斜入射条件分为入射面垂直于器件长轴和平行于器件长轴两种情形。从实验和理论上研究了金属腔共振模对入射角度的依赖性。实验结果表明:入射面垂直于器件长轴时,腔模共振波长不随入射角度变化;入射面平行于器件长轴时,腔模共振波长随入射角度变大而向短波移动。测试结果和推导出的共振波长与入射角度的关系式所计算的结果符合的很好。同时也对比、分析了Fabry-Pérot滤光器和等离激元滤光器的透射峰值波长与入射角度的关系,结果表明金属腔量子阱红外探测器具有相对较好的角度稳健性,并且利用三维金属腔的限制作用有望开发出响应波长对入射角度完全不敏感的量子阱红外探测器。
金属微腔 红外探测器 量子阱 共振波长 metallic microcavity infrared photodetector quantum well resonance wavelength
表面等离子体共振(SPR)传感技术因其灵敏度高、 无需标记、 可原位实时监测的特点, 被广泛应用在生物医学、 化学检测、 食品安全、 环境监测等领域。 对于波长调制型SPR传感器, 由于光谱测量系统各部件对不同波长响应度不同, 从而对光谱共振波长的实际位置产生干扰, 影响到实验检测结果。 为消除这种影响, 提出了一种基于辐射度空间的SPR相对反射率校正方法, 并使用阶数自适应拟合算法对共振波长进行精确测定。 通过标定光谱测量系统的仪器响应曲线, 将光谱仪得到的原始光谱转换成辐射光谱, 进而计算出不依赖于光谱仪系统中任何部件的SPR相对反射率。 相比于传统的反射率校正方式(以共振光谱除以非共振光谱的结果作为反射率光谱), 此方法校正后的光谱在光谱形状上具备半峰宽更窄和共振峰更对称的优势, 从而为精确确定共振波长提供了可靠的保障。 随后基于拟合误差最小化的目标, 对共振区域采用阶数自适应多项式拟合算法确定共振波长。 实验测量了不同入射角度下的SPR共振光谱, 使用此方法校正得到反射率光谱的半峰全宽保持在(100±10) nm, 表明此方法的光谱峰形优势具备普适性; 连续采集了4 000组光谱并计算共振波长, 其相对标准偏差为0.007 8%, 处理速度为每个光谱12 ms, 表明此方法具备良好的抗噪声波动鲁棒性和光谱数据处理的实时性; 测量了不同浓度下NaCl溶液的SPR共振光谱, 其共振波长与溶液折射率线性相关系数为0.998 5, 品质因数为传统校正方式的3倍, 表明此方法具备良好的可靠性, 并且从光谱的处理算法层面提高了传感性能, 相比于从工艺制备上提高品质因数的传统方式, 处理简便, 效果更突出。 结果表明, 基于辐射度空间的相对反射率矫正与阶数自适应拟合相结合的SPR共振波长检测方法具备可靠性好、 运算速度快、 分辨率高、 抗噪声、 品质因数高等特点, 能够有效提高SPR传感器的数据处理与传感性能。
SPR传感 基于辐射度的光谱校正 自适应拟合 共振波长 SPR sensing Radiation-based spectral correction Self-adaptive fitting algorithm Resonance wavelength determination
1 南京信息工程大学 电子与信息工程学院, 南京 210044
2 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心, 南京 210044
基于表面等离子共振的原理, 设计了一种基于复合膜的双通道光纤表面等离子传感器。利用FDTD Solutions仿真软件分析了传感器的电场传输模式, 比较了单层金属Ag膜与Ag-ITO复合膜的性能, 并对比分析了单通道与双通道结构。结果表明:采用Ag-ITO与Au-TiO2复合膜的双通道结构在灵敏度和品质因数等各项性能上要明显优于传统单层金属膜与单通道结构。设计的传感器不仅可以通过两条传感通道共振偏移范围的高区分度来解决共振波长的串扰问题, 而且双通道结构中一条传感通道也可以作为参考通道为传感器提供自补偿能力。
光纤传感器 表面等离子共振 双通道 复合膜 共振波长串扰 optical fiber sensor surface plasma resonance dual-channel composite membrane resonance wavelength crosstalk
1 太原理工大学 微纳系统研究中心,太原 030024
2 太原理工大学 新型传感器与智能控制教育部和山西省重点实验室, 太原 030024
为了更好地测量液体折射率, 提出了一种基于表面等离子共振波长测量液体折射率的方法,采用Kretschman 结构建立了模型, 进行了软件仿真, 并搭建实验平台进行了实验研究, 分析了实验和理论之间的误差来源。结果表明,当折射率在1.33RIU~1.36RIU的范围内变化时, 表面等离子共振吸收峰随液体样品折射率的变化产生了频移, 其灵敏度可达4808.94nm/RIU。该方法可以准确测量液体的折射率, 且系统结构简单, 具有较高的灵敏度。
传感器技术 共振波长 表面等离子体共振 灵敏度 sensor technique resonant wavelength surface plasma resonance sensitivity
1 中国科学院 电子学研究所 传感技术国家重点实验室, 北京 100190
2 中国科学院大学, 北京100049
3 广东工业大学 机电工程学院, 广东 广州 510006
本文报道了一种基于色相算法的彩色表面等离子体共振(SPR)成像传感器, 该传感器不仅能够对发生于SPR芯片表面的物理化学反应进行直观的图像观测, 还能基于色相算法对这些表面反应进行定量分析。利用自制的波长/图像同步检测型SPR传感器, 实验获得了不同共振波长对应的共振图像, 然后借助色相算法求得每一幅共振图像对应的二维色相分布及其平均色相, 建立了共振波长与图像平均色相的依赖关系, 用于优化基于色相参数的SPR折射率灵敏度。实验选择起始共振波长为650 nm, 测得基于色相的折射率灵敏度为3 338/RIU, 是基于共振波长的折射率灵敏度的1.49倍。利用彩色SPR成像技术能够直观地观测到金膜表面涂布的聚四氟乙烯薄膜的不均匀性, 再通过计算图像局部区间的平均色相, 可以定量获得不同薄膜厚度对应的折射率灵敏度。实验结果证明了基于色相算法的彩色SPR成像传感器明显优于常规SPR传感器。
彩色表面等离子体共振成像 共振波长 色相 厚度不均匀性 折射率灵敏度 color surface plasmon resonance imaging resonance wavelength hue inhomogeneity of the thickness RI sensitivity
1 天津理工大学 计算机与通信工程学院 通信器件与技术教育部工程研究中心, 天津 300384
2 天津大学 精密仪器与光电子工程学院 激光与光电子研究所 光电信息科学技术教育部重点实验室, 天津 300072
提出一种基于表面等离子体共振的双芯光子晶体光纤温度传感器, 其中双芯光子晶体光纤为折射率导光型, 其中心圆孔表面镀氮化钛薄膜, 内部填充具有较大热敏系数的乙醇和氯仿的混合液体, 其纤芯模与表面等离子体激元耦合的共振波长偏移可反映液体混合物的温度或折射率.利用全矢量有限元法分析了不同因素对传输损耗谱及其共振波长的影响.仿真结果表明:外包层空气孔直径增大, 以及最内层包层空气孔直径和空气孔间距减小可以提高耦合效率, 从而增强共振峰.对比分析发现在-20℃~ 120℃温度范围内, 氮化钛薄膜比传统金膜表现出更好的等离子传感特性, 随着膜厚增加, 其共振波长偏移量增加, 温度灵敏度提高, 灵敏度最高可以达到6.22 nm/K.
双芯光子晶体光纤 表面等离子体共振 全矢量有限元法 共振波长 氮化钛 温度传感 Dual-core photonic crystal fiber Surface plasmon resonance Full-vector finite element method Resonance wavelength Titanium nitride Temperature sensor
1 吉林大学 仪器科学与电气工程学院, 长春 130026
2 北华大学 电气信息工程学院, 吉林 吉林 132021
利用Matlab对光纤表面等离子共振(SPR)传感器进行仿真, 得知选用纤芯直径为400μm或600μm的石英光纤作为SPR传感器具有良好的折射率检测特性。实验选用宽带光源作为入射光, 在波长550~800nm范围内, 应用Matlab仿真分析了不同折射率样品的共振波长与透射率的关系, 与实验数据对比表明, 仿真结果与实验结果相一致。
表面等离子共振 Matlab仿真 宽带光源 共振波长 SPR Matlab simulation broadband light source resonance wavelength