基于塔姆等离激元激发法布里-珀罗谐振的折射率传感器设计

在金属光栅覆盖分布式布拉格反射镜(DBR)双层结构中,利用金属与DBR交界面上的塔姆等离激元(TPPs)能够激发金属光栅狭缝内的表面等离激元(SPPs)的法布里-珀罗(F-P)谐振,由此产生的能量局域有助于感知狭缝内填充介质的折射率参数。为了进一步提升TPPs的激发效率,实现高灵敏度折射率传感,本文提出在金属光栅底部引入金属膜层构建金属光栅-金属膜-DBR的三层复合结构,采用有限元法分析了膜层厚度对复合结构透射谱线的定量影响。仿真结果显示,随着金属膜层厚度的增加,透射峰的谱宽单调减小,而峰值透射率呈现先增大后减小的变化趋势,在膜厚为12 nm时最大,相比无膜层结构,光谱峰值透射率提升约29%。在此基础上通过改变光栅占空比及金属光栅高度,分析了光栅狭缝中三到五阶类F-P谐振模对应的透射峰的传感性能指标。结果表明,随着占空比的减小,各阶谐振模透射峰的灵敏度显著增大。当选择占空比为60%时,四阶和五阶谐振透射峰的传感灵敏度分别升至171.20 nm/RIU(灵敏度单位)和178.35 nm/RIU。此外,改变金属光栅的高度可以实现折射率探测区间近乎线性移动,当光栅高度从900 nm增大到1200 nm时,基于三到五阶谐振模式的探测区间可以有效覆盖从1.00到2.27的折射率区间。本文的研究结果为利用TPPs进行折射率传感提供了一种有效的设计思路。