本發(fā)明涉及一種光學傳感器，尤其涉及一種基于介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)Fano共振特性的傳感器，該傳感器具有對周圍環(huán)境折射率敏感的特點。

背景技術(shù)：
Fano共振起源于兩種電磁本征模式之間的干涉，其中一種為亞輻射模式，另外一種為超輻射模式。近年來，隨著納米結(jié)構(gòu)制作工藝的發(fā)展，納米結(jié)構(gòu)的Fano共振引起了廣泛的關(guān)注。納米結(jié)構(gòu)的Fano共振具有高的品質(zhì)因子，大的局部場增強，其共振特性對于納米結(jié)構(gòu)周圍環(huán)境非常敏感，因而很適合用于高靈敏度的生物化學傳感器的制備。對于光學折射率傳感器而言，傳感靈敏度(S)和品質(zhì)因數(shù)(Figure-of-merit,簡稱FOM)是兩個重要的衡量指標。對于基于光學共振模式的折射率傳感器，其傳感靈敏度單位一般為nm/RIU,其中RIU為單位折射率，nm表示納米。品質(zhì)因數(shù)則可以用傳感靈敏度S除以共振模式的半高全寬(FWHM)表示，即FOM＝S/FWHM。共振模式的半高全寬與共振Q值相關(guān)，F(xiàn)WHM＝λ/Q，其中λ為共振中心波長。RIU越大，同時FWHM越小(Q越大)，F(xiàn)OM就越大。FOM是對光學折射率傳感器性能的總體評價，具有重要的意義。由金、銀等金屬材料構(gòu)成的納米結(jié)構(gòu)在光學波段可以支持局域表面等離子體激元共振(LSPR)，因而金屬納米共振結(jié)構(gòu)的光學性質(zhì)在過去十多年中得到了深入的研究，特別是金屬納米結(jié)構(gòu)的Fano共振，在過去幾年成為國內(nèi)外的研究熱點，并被應(yīng)用于光學傳感器的設(shè)計。例如，2014年，天津大學的金杰、劉菲、呂辰剛等發(fā)明了一種基于金納米棒二聚體陣列Fano共振特性的傳感器(“一種基于金納米棒二聚體陣列Fano共振特性的傳感器”，專利公開號：CN104061997A，公開日：2014.09.24)。通過利用納米金屬棒陣列的Fano共振特性，這種傳感器提高了傳感品質(zhì)因數(shù)及靈敏度。在近紅外波段，這種傳感器的LSPR磁振蕩暗模的折射率靈敏度為1096nm/RIU,半高全寬為50nm，傳感器的品質(zhì)因數(shù)FOM為20。然而，由于金屬在光學波段具有一定的吸收損耗，金屬納米結(jié)構(gòu)的Fano共振Q值一般都在10左右(Borisluk’yanchuketal,“TheFanoresonanceinplasmonicnanostructuresandmetamaterials”NatureMaterials9,707(2010))。這極大的限制了基于金屬納米結(jié)構(gòu)Fano共振特性的傳感器的品質(zhì)因數(shù)。最近的研究表明，高折射率(折射率大于3)介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)同樣可以支持Fano共振(V.Khardikovetal,“Agiantredshiftandenhancementofthelightconfinementinaplanararrayofdielectricbars”JournalofOptics14,035103(2012)；J.Zhangetal,“Near-infraredtrappedmodemagneticresonanceinanall-dielectricmetamaterial”,Opt.Express21,26721(2013))。由于介質(zhì)結(jié)構(gòu)可以避免材料的本征吸收損耗，因而在可見光和近紅外波段共振Q值有可能達到1000以上，半高全寬有可能小于1nm。不足之處在于，人們通常所研究的介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)，光學模場都被束縛在了介質(zhì)內(nèi)部，共振模式對于周圍環(huán)境的變化不敏感。如果能夠解決這一難題，那么介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)的Fano共振特性將為新型高性能光學傳感器的開發(fā)提供可能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種基于介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)的傳感器，利用介質(zhì)材料的低損耗特性和介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)的Fano共振特性，產(chǎn)生高Q值的共振，同時通過在介質(zhì)共振單元中引入開口增強介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)的傳感靈敏度，最終實現(xiàn)高的傳感品質(zhì)因數(shù)。本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：一種基于介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)Fano共振特性的傳感器，由對傳感器工作波段光波透明的基底和均勻排布在透明基底上的介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)陣列組成，其特征在于：所述介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)陣列以介質(zhì)納米條對為基本組成單元，每個介質(zhì)納米條對由兩個厚度相同的非對稱介質(zhì)納米條平行排布組成，所述介質(zhì)納米條對中的至少一個介質(zhì)納米條中間斷開，所述介質(zhì)納米條對沿x軸和y軸排布的周期Px和Py均小于工作波段光波的波長，所述介質(zhì)納米條的介質(zhì)材料為高折射率材料(折射率大于3)。進一步地，所述透明基底的材料為玻璃；進一步地，所述介質(zhì)納米條的介質(zhì)材料可以是硅，也可以是鍺、碲、砷化鎵中的任意一種；進一步地，所述每條介質(zhì)納米條的長度在50nm～3000nm之間，寬度在50nm～1500nm之間，厚度在20nm～1000nm之間；進一步地，所述每個介質(zhì)納米條中間斷開部分的長度不超過該介質(zhì)納米條長度的二分之一；進一步地，所述組成介質(zhì)納米條對的兩個介質(zhì)納米條的非對稱特性在于兩者的結(jié)構(gòu)尺寸不能完全相同，具體包括：(1)兩個介質(zhì)納米條的寬度不相同；(2)兩個介質(zhì)納米條的長度不相同；(3)兩個介質(zhì)納米條中間斷開部分的長度不相同；或者以上三種情況的任意組合。本發(fā)明的技術(shù)效果在于：1.由于介質(zhì)材料的低光學損耗和介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)的Fano共振特性，介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)的Fano共振在可見光和近紅外波段共振Q值可以達到2500以上，半高全寬可以小于1nm。2.通過在介質(zhì)納米條帶中引入開口，使得介質(zhì)的電磁場能量能夠暴露在周末環(huán)境之中，有效的增強了Fano共振模式電磁場與周圍環(huán)境媒質(zhì)的相互作用，提高了傳感器的靈敏度，由此獲得的傳感器靈敏度達到520nm/RIU,品質(zhì)因數(shù)FOM達到500以上，綜合性能遠遠超過了基于金屬納米結(jié)構(gòu)Fano共振特性的同類傳感器。在化學、生物傳感，危險氣體和污染物監(jiān)測等方面具有重要的應(yīng)用前景。附圖說明以下將基于例示性視圖更詳細地說明本發(fā)明。本發(fā)明不限于例示性實施例。在此說明和/或顯示的所有特征在本發(fā)明的實施例中可以單獨使用或以不同組合相結(jié)合。本發(fā)明的各個實施例的特征和優(yōu)點將通過以下參照附圖的詳細說明變得清楚，在附圖中：圖1為本發(fā)明所述基于介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)Fano共振特性傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖：a.三維結(jié)構(gòu)示意圖，其中E為入射光波的電場偏振方向，H為入射光波的磁場偏振方向，k為入射光波的波矢方向；b.納米條對平面結(jié)構(gòu)示意圖及幾何參數(shù)；圖2為實施例1中組成介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)傳感器的納米條對的結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖；圖3為實施例1所述硅介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)傳感器在不同折射率媒質(zhì)中的透射譜，其中n為外部媒質(zhì)的折射率；圖4為實施例1所述硅介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)傳感器的傳感特性；圖5為實施例2中組成介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)傳感器的納米條對的結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖；圖6為實施例2所示傳感器在不同折射率媒質(zhì)中的透射譜，其中n為外部媒質(zhì)的折射率；圖7為實施例3中組成介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)傳感器的納米條對的結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖；圖8為實施例3所示傳感器在不同折射率媒質(zhì)中的透射譜，其中n為外部媒質(zhì)的折射率；具體實施方式本發(fā)明的實施例提供三種基于硅納米結(jié)構(gòu)Fano共振特性的傳感器，但本發(fā)明不限于該實施例所限定的介質(zhì)材料。圖1(a)為本發(fā)明的介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)陣列及其傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。由非對稱的硅納米條對1均勻陣列排布在透明的二氧化硅玻璃基底2上，所述硅納米條對1由一號納米條101和二號納米條102平行排布組成，每個納米條帶中間部分均有一個納米槽，槽的深度與納米條帶的厚度相同。需要檢測的外部媒質(zhì)包圍在硅納米條周圍，包括納米條之間的間隙、納米條中間的開口以及納米條上表面周圍，可以是空氣，也可以是水、酒精等液體。入射光(覆蓋1000nm～2000nm波長的寬譜光源，如白光光源或者超連續(xù)譜光源)垂直基底平面照射至傳感器上，電場方向平行于納米條帶的長度方向(圖1中x軸方向)。圖1(b)所示為介質(zhì)納米條對的結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖。對于圖1(a)所示坐標系，該傳感器由非對稱的介質(zhì)納米條對1均勻陣列周期排布在透明的二氧化硅玻璃基底上，每對硅介質(zhì)納米條對1由一號納米條101和二號納米條102沿x軸方向平行排列組成，所述一號納米條101和二號納米條102的厚度均為T，一號納米條101的長度L1，寬度為W1,二號納米條102的長度L2，寬度為W2,一號納米條101和二號納米條102之間的距離為D；每個介質(zhì)納米條的中部開口，開口長度分別為G1和G2，G1和G2均不超過每個介質(zhì)條長度的一半；每對介質(zhì)納米條對沿x軸和y軸的周期分別為Px和Py，Px和Py均小于傳感器工作的光波波段的波長?，F(xiàn)代的納米加工工藝的發(fā)展，為介質(zhì)納米條陣列的制備提供了相關(guān)的技術(shù)保證。具體加工方法如下：首先，利用等離子體增強化學氣相沉積法(PECVD)在雙面拋光的透明基底上生長所需厚度的介質(zhì)材料(如硅、鍺、碲或砷化鎵中的任意一種)，然后在生長的介質(zhì)材料上用旋轉(zhuǎn)涂膠法(spin-coating)均勻涂上一層電子束光刻膠；接下來利用電子束光刻法在光刻膠上制作與需要加工制作的介質(zhì)納米條相同的圖案；然后利用電子束蒸發(fā)鍍膜的方法在光刻膠上鍍一層金屬做掩模，采用lift-off工藝之后，留下硬掩模對介質(zhì)材料進行反應(yīng)離子束刻蝕(RIE，刻蝕氣體為C4F8,SF6,O2和Ar)，最后用腐蝕液將金屬掩膜去掉，再利用去離子水清洗，就得到了如圖1所示的具有開口的非對稱介質(zhì)納米條對陣列。圖2所示為本發(fā)明的實施例1中的介質(zhì)納米條對的結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖。所述介質(zhì)納米條采用的介質(zhì)材料為硅，兩個納米條的厚度均為T＝150nm，寬度W1，W2均為300nm，一號納米條101的長度為L1＝700nm，二號納米條102的長度為L2＝750nm，兩個平行納米條之間的水平間隔為D＝150nm。兩個納米條中間均有一個開口，其長度為G1＝G2＝100nm,納米條結(jié)構(gòu)單元的周期為Px＝Py＝900nm。當線偏振的寬帶光源以圖1中所示方式(電場偏振方向沿納米條長度方向，即圖中所示x-軸方向)垂直入射到本發(fā)明所述傳感器上時，部分光會被反射，其余光會透射，利用光譜儀在1000nm～2000nm的波長范圍內(nèi)測量透射和反射光譜。在共振波長附近，由于介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)的Fano共振，會在透射和反射譜中展現(xiàn)出典型的Fano共振線型。圖3所示為本實施例所述硅介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)傳感器在不同折射率媒質(zhì)中的透射譜，從圖中可以看出，在周圍媒質(zhì)的折射率為1.3時，F(xiàn)ano共振的最小透射波長為1600nm；當周圍媒質(zhì)的折射率為1.4時，F(xiàn)ano共振的最小透射波長為1652.5nm，因此該硅納米結(jié)構(gòu)傳感器的折射率靈敏度為525nm/RIU。由于此時Fano共振譜線的半高全寬小于2nm,因此該硅介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)傳感器的品質(zhì)因數(shù)FOM大于260。圖4所示為本發(fā)明所述硅介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)傳感器的傳感特性，該圖進一步給出了當保持硅納米條的總長度不變(L1＝700nm，L2＝750nm)時，通過改變介質(zhì)納米條中間開口長度時的傳感靈敏度變化情況。對于三種不同的開口長度G1＝G2＝0(實際為沒有開口，即采用連續(xù)的非對稱納米硅條對)，G1＝G2＝50nm,G1＝G2＝100nm,從圖上可以看出,Fano共振均隨著介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)周圍媒質(zhì)折射率n的增強而向長波段移動。對于周圍媒質(zhì)在1.3～1.7的折射率范圍內(nèi)變化時，所發(fā)明的傳感器展現(xiàn)出良好的線性測量特性。當硅納米條中間沒有開口時，折射率傳感器靈敏度為338nm/RIU；當在硅納米條中間引入50nm的開口時，平均靈敏度提高到481.5nm/RIU；而當硅納米條中間的開口長度為100nm時，靈敏度提高到了522.5nm/RIU。顯然，通過在介質(zhì)納米共振結(jié)構(gòu)中適當?shù)囊腴_口，可以有效的增強共振模式中電磁場與周圍媒質(zhì)的相互作用，從而提高折射率傳感器的靈敏度。同時，對于這三種不同的開口長度，F(xiàn)ano共振的Q值基本保持不變，因而引入開口也有效的提高了傳感器的品質(zhì)因數(shù)。圖5所示為本發(fā)明的實施例2中的介質(zhì)納米條對的結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖。所述介質(zhì)納米條采用的介質(zhì)材料為硅，兩個納米條的厚度均為T＝150nm，寬度W1，W2均為300nm，長度L1,L2均為750nm,兩個平行納米條之間的水平間隔為D＝150nm。兩個納米條中間均有一個開口，一號納米條101的開口長度為G1＝110nm,二號納米條102的開口長度為G2＝90nm,納米條結(jié)構(gòu)單元的周期為Px＝Py＝900nm。圖6所示為實施例2所述硅介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)傳感器在不同折射率媒質(zhì)中的透射譜，從圖中可以看出，在周圍媒質(zhì)的折射率為1.3時，F(xiàn)ano共振的最小透射波長為1626.3nm；當周圍媒質(zhì)的折射率為1.4時，F(xiàn)ano共振的最小透射波長為1678.35nm，因此該硅納米結(jié)構(gòu)傳感器的折射率靈敏度為520.5nm/RIU。此時Fano共振的Q值大于2000，譜線的半高全寬小于0.8nm,因此該硅介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)傳感器的品質(zhì)因數(shù)FOM大于650。圖7所示為本發(fā)明的實施例3中的介質(zhì)納米條對的結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖。所述介質(zhì)納米條采用的介質(zhì)材料為硅，兩個納米條的厚度均為T＝150nm，長度L1,L2均為750nm,一號納米條101的寬度W1＝280nm,二號納米條102的寬度W2＝320nm,兩個平行納米條之間的水平間隔為D＝150nm。兩個納米條中間均有一個開口，其長度為G1＝G2＝100nm,納米條結(jié)構(gòu)單元的周期為Px＝Py＝900nm。圖8所示為實施例3所述硅介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)傳感器在不同折射率媒質(zhì)中的透射譜，從圖中可以看出，在周圍媒質(zhì)的折射率為1.3時，F(xiàn)ano共振的最小透射波長為1625.1nm；當周圍媒質(zhì)的折射率為1.4時，F(xiàn)ano共振的最小透射波長為1677.1nm，因此該硅納米結(jié)構(gòu)傳感器的折射率靈敏度為520nm/RIU。此時Fano共振的Q值大于2500，譜線的半高全寬小于0.6nm,因此該硅介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)傳感器的品質(zhì)因數(shù)FOM大于860。雖然參照上述實施例詳細描述了本發(fā)明，但是應(yīng)該理解本發(fā)明并不限于所公開的實施例。對于本專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，可以對其形式和細節(jié)進行各種改變。本發(fā)明意欲涵蓋所附權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)的各種變型。