(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210377579.8 (22)申请日 2022.04.12 (71)申请人 北京大学 地址 100871 北京市海淀区颐和园路5号 (72)发明人 侯玉敏　杨宗蒙　 (74)专利代理 机构 北京万象新悦知识产权代理 有限公司 1 1360 专利代理师 王岩 (51)Int.Cl. G01N 21/01(2006.01) G01N 21/41(2006.01) G01N 21/552(2014.01) (54)发明名称 一种双谷标定等离激元折射率传感器及其 实现方法 (57)摘要 本发明公开了一种双谷标定等离激元折射 率传感器及其实现方法。 本发明在透明的基底上 形成一维周期性金属狭缝阵列； 通过扫描波长和 入射角度， 得到二维反射率图谱， 并利用相干公 式计算得到相干曲线， 通过二维反射率图谱选择 入射的激光的波长λ， 在满足一维周期性金属狭 缝阵列与待测物质之间的界面处的相干条件下 分别得到两种方向不同的相干态， 将两个相干态 角作差， 从而得到待测物质的折射率； 本发明提 供的双谷标定等离激元折射率传感器， 两个谷会 随折射率变化向相反方向移动， 提高了灵敏度， 增加了折射率传感的范围， 并且由于狭缝中介质 折射率只影响与角度无关的磁表面等离激元共 振的波长， 不会受分子在传感器结构中流动性的 影响。 权利要求书3页 说明书7页 附图3页 CN 114778447 A 2022.07.22 CN 114778447 A 1.一种双谷标定等离激元折射率传感器， 其特征在于， 所述双谷标定等离激元折射率 传感器包括： 基底和一维周期性金属狭缝阵列； 其中， 基底为透明的介质； 在基底上形成金 属层， 金属层上开设有一维周期性金属狭缝阵列， 一维周期性金属狭缝阵列包括多条互相 平行且等间距的金属狭缝， 金属狭缝的方向沿z方向， 一维周期性金属狭缝阵列沿x方向； 在一维周期性金属狭缝阵列上放置标准介质， 此时上层的物质为标准介质； 入射光通过标准物质折射后照射到一维周期性金属 狭缝阵列的表面， 入射光位于xy平 面内， 入射角为θ， 波长在可见光以及近红外范围内； 照射到一维周期性金属狭缝阵列的激 光， 激发磁表面等离激元MSP， 在波长和入射角度满足相干条件 时， 实现MSP的相干态， 相干 发生在一维周期性金属狭缝阵列与上层的物质之间的界面处以及一维周期性金属狭缝阵 列与基底之间的界面处， 即MSP之间的相位差满足2mπ， m＝0, ±1,±2...， m为相干级别， 相 干态发生在一维周期性金属狭缝阵列 与上层的物质之间的界面处的相干公式为： 相干态发生在一维周期性金属狭缝阵列 与基底之间的界面处的相干公式为： 其中， P为一维周期性金属狭缝阵列的周期， θ为光的入射角度， εw为上层的物质的相对 介电常数， εs为基底的相对介电常数， 物质的相对介电常数等于物质的折射率的平方， εm为 金属层的介电常数； 通过扫描波长和入射角度， 得到标准物质的二 维反射率谱图， 对于气态 的待测物质， 得到空气的二维反射率谱图， 对于液态的待测物质， 得到水的二维反射率谱 图， 二维反射率谱图为模拟计算结果； 二维反射率谱图中包括多条随入射波长以及入射角 变化的暗带， 这些暗带是相干带； 利用相干公式计算得到相干曲线， 相干曲线为理论计算结 果， 将相干曲线画在二维反射率谱图中， 对相干带的位置做更准确的描述； 此外， 在二维反 射率谱图中间还有一条不 随入射角度变化的暗带， 称为磁表面等离激元共振区域， 磁表面 等离激元共振区域的宽度大于相 干带， 是由磁表面等离激元共振产生的， 在相 干带与磁表 面等离激元共振区域相交叠的区域称为磁表面等离激元共振与相干态之间的强相互作用 区域， 由于在该区域中磁表面等离激元与相 干态之间的强相互作用， 导致理论计算结果与 模拟结果有大的差别； 通过二维反射率谱图选择入射的激光的波长λ， 使得激光的波长λ不 位于磁表面等离激元共振与相干态之 间的强相互作用区域， 从而使得相干公式对折射率的 传感进行准确的描述； 待测物质位于一维周期性金属狭缝阵列的表面， 此时上层的物质为 待测物质； 对于固定的激光的波长 λ， 满足一 维周期性金属狭缝阵列与待测物质之间的界面 处的相干条件下分别得到两种方向不同的相干态： 在一 维周期性金属狭 缝阵列与待测物质 之间的界面处的相干公式取正号时得到的第一相干态角 θA， 以及在一维周期性金属狭缝阵 列与待测物质之间的界面处的相干公式取负号时得到的第二相干态角 θB； 当待测物质的折 射率n变大， 第一相干态角 θA会变大且第二相干态角 θB会变小， 会形成对向移动的趋势， 第一 相干态角 θA与第二相干态角 θB的差值反映折射率的大小； 磁表面等离激元共振与相干态之 间相互作用形成法诺型共振， 激光的入射角 θ从0～90 °扫描照射在一维周期性金属狭缝阵 列的表面， 探测反射率， 由于磁表面等离激元 的相干使得电磁场能量聚集在一维周期性狭权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114778447 A 2缝阵列表面， 反射率降低， 在反射率曲线中产生两个相干谷， 分别对应第一相干态角 θA和第 二相干态角 θB； 将第一相干态角 θA与第二相干态角 θB作差， 根据第一与第二相干态角之差与 折射率关系 得到待测物质的折射率； 并且， 由于金属狭缝 的折射率的变化仅影响与入射角 度无关的磁表面等离激元的共振波长， 用于测量的相干谷的位置仅取决于上层的待测物质 的折射率， 因此， 间隙介质的折射率与上层的待测物质的折射率不一致并不会对传感器的 性能造成影响。 2.如权利要求1所述的双谷标定等离激元折射率传感器， 其特征在于， 所述金属层的材 料采用金、 银或铝。 3.如权利要求1所述的双谷标定等离激元折射率传感器， 其特征在于， 所述狭缝的宽度 为10～50nm。 4.如权利要求1所述的双谷标定等离激元折射率传感器， 其特征在于， 所述狭缝的深度 为80～300nm。 5.如权利要求1所述的双谷标定等离激元折射率传感器， 其特征在于， 所述一维周期性 金属狭缝阵列的周期与入射波的波长有关， 入射波长越大， 周期也越大。 6.如权利要求1所述的双谷标定等离激元折射率传感器， 其特征在于， 所述基底的折射 率需大于或等于1.5 。 7.一种如权利要求1所述的双谷标定等离激元折射率传感器的实现方法， 其特征在于， 所述实现方法包括以下步骤： 1)搭建双谷标定等离 激元折射率传感器： 提供透明的介质作为基底； 在基底上形成金属层， 金属层上开设有一维周期性金属狭 缝阵列， 一维周期性金属狭缝阵列包括多条互相平行且等间距的金属狭缝， 金属狭缝的方 向沿z方向， 一维周期性金属狭缝阵列沿x方向； 2)得到二维反射 率谱图： 在一维周期性金属 狭缝阵列的分别放置标准介质； 入射光通过标准物质折射后照射到 一维周期性金属狭缝阵列的表面， 入射光位于xy平面内， 入射角为θ， 波长在可见光以及近 红外范围内； 照射到一维周期性金属狭缝阵列的光， 激发磁表面等离激元MSP， 在波长和入 射角度满足相干条件时， 实现MSP的相干态， 相干发生在一 维周期性金属狭缝阵列与上层的 物质之间的界面处以及一维周期性金属狭缝阵列与基底之间的界面处， 即MSP之间的相位 差满足2mπ， m＝0, ±1,±2...， ， m为相干级别， 相干态发生在一维周期性金属狭缝阵列与上 层的物质之间的界面处的相干公式为： 相干态发生在一维周期性金属狭缝阵列 与基底之间的界面处的相干公式为： 其中， P为一维周期性金属狭缝阵列的周期， θ为光的入射角度， εw为上层的物质的相对 介电常数， εs为基底的相对介电常数， 物质的相对介电常数等于物质的折射率的平方， εm为 金属层的介电常数； 通过扫描波长和入射角度， 得到标准物质的二 维反射率谱图， 二 维反射权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114778447 A 3