基于LSPR的多波长窄带传感器的研究

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近年来,局域表面等离子体共振(Localized Surface Plasmon Resonance,LSPR)传感器以其结构简单,波长、强度、相位可调谐振响应等优点,在生物传感、能量采集器、光电探测器、近场扫描光学显微镜等许多应用领域得到了广泛关注。LSPR多波长窄带传感器以其极窄的谱线可以获得优异的传感特性,多波长特点可以用作多波段光开关和多波段检测,这些特点使得研究多波长窄带传感器具有非常重要的意义。本文的主要研究内容如下:1.提出并研究了一种基于金属纳米颗粒的LSPR与波导模耦合原理设计的等离子体诱导透明的多波长窄带结构,该结构由金纳米颗粒与Al2O3-Si O2构成。介绍了计算金属纳米颗粒的消光光谱方法,利用消光谱得到纳米颗粒局域表面等离子体(Localized Surface Plasmon,LSP)的共振位置,通过改变平板波导层厚度得到了波导层厚度与导模模式关系。其中,E形金纳米结构可以激发准导模,从而产生多个法诺(Fano)线形传输。该结构具有多窄带透明性和高反射率特性,易于制备和集成。2.提出并研究了一种基于等离子体诱导透明的多波长窄带可调谐传感器。将石墨烯覆盖在波导层上展现了该结构的可调谐功能,调谐范围可达27nm。在1.3~1.39的折射率范围内,传感器的品质因数FOM*可以达到66548。同时还可以用作调制深度高达70%的多波段光开关。3.提出并研究了一种基于LSPR的多波长窄带偏振无关的复合完美吸收器。该吸收器由矩形金纳米立方体和Si O2-Al2O3-PDMS复合结构组成,在金纳米阵列-Si O2-Al2O3结构中激发共振导模、表面等离子体极化(Surface Plasmon Polariton,SPP)与法布里-珀罗(Fabry Perot,FP)腔模式。所设计的吸收器具有多个窄带吸收,通过Al2O3反射层,吸收效率可超过96%,无需任何金属反射层来提高吸收效率,并且分析了该结构分别在不同斜入射角度和不同偏振方位角下入射情况的完美吸收器的吸收特性,可以保持大角度高吸收率以及偏振无关的特性。此外该完美吸收器还具有较高的灵敏度,S=319nm/RIU。
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