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▌R1 在表面等离子体共振耦合传感中的应用
对一种提高表面等离子体共振耦合传感性能的金属光栅进行角分辨光谱表征


   表面等离子体共振      SPP      SPR传感器      光栅      金属微结构   

【概述】光学表面等离子共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)是一种典型的光物理现象,基于 SPR 峰位移(peak shift)的 SPR传感器 已经被广泛应用于食品质量、医学诊断、环境监测、可再生能源、光电器件等领域。SPR 传感器的性能主要通过灵敏度、稳定性、分辨率、选择性和响应时间来评估。
      
光栅结构示意图、AFM 扫描图、SEM 扫描图
图1,光栅结构示意图、AFM 扫描图、SEM 扫描图

一篇发表于 Nanoscale,名为《Improving the sensing performance of double gold grating by oblique incident light》的文章,提出并证明了一种基于 Au 光栅的等离子体传感模型可以明显提高 SPR 传感器的传感性能。光栅由聚合物光栅和 Au 涂层组成(图1)。作者通过优化 Au 涂层的厚度和入射光的角度,显著提高了 SPR 传感器的灵敏度(Sensitivity,S)和品质因数(Figure of Merit, FOM)。
      
      【样品 & 测试】为了测试 double gold gratings 的传感性能,作者对 Au 涂层厚度不一的 S1(23nm)、S2(44nm)、S3(65nm)、S4(92nm) 光栅样品进行了大量的实验及理论探究(图2)。在理论探究方面,作者理论模拟了不同情况下的电场强度分布。在实验方面,作者测量了不同情况下的特定角度反射率。文中对于反射率的测量均由复享光学的角分辨光谱设备 R1 来完成的。
      
S3 样品在不同角度、不同折射率溶液中的电场强度分布及反射率光谱
图2,S3 样品在不同角度、不同折射率溶液中的电场强度分布及反射率光谱

如 图3 所示,通过对理论模拟及测试数据的分析,作者获得了不同样品在不同入射角度下的灵敏度(Sensitivity)和品质因数(FOM),并得出如下结论:1)波长灵敏度与 Au 镀层厚度存在正相关的关系;2)选择不同角度的入射光,可以提高共振耦合传感的性能;3)在最佳的 Au 镀层厚度(65nm)下,光栅的线宽可以降低 40%,同时 FOM 值提高两倍;4)在传感应用中,白光光源比偏振光源更具有优势。
      
不同样品在不同入射角度下的灵敏度(Sensitivity)和品质因数(FOM)
图3,不同样品在不同入射角度下的灵敏度(Sensitivity)和品质因数(FOM)


      
文章对复享光学角分辨光谱系统 R1 的引用
图4,文章对复享光学角分辨光谱系统 R1 的引用

【总结】为了提高等离子体共振传感性能,作者提出了一种新的传感模型,从实验和理论两个角度证明了这个模型的可行性,并对可优化的参数进行了定量研究。
      复享光学提供的角分辨光谱设备 R1(R1-A-UV) 在文中所述的角度光谱(角向光谱)测量方面起了不可替代的作用,为该领域研究的快速进展提供了有力的保障。
【参考文献】
       Wu, Feifei, et al. "Improving the sensing performance of double gold gratings by oblique incident light." Nanoscale 7.30 (2015): 13026-13032.  Link 
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