基于lumerical fdtd模拟等离子共振吸收的折射率传感器

在表面等离子体激元学研究中，金属纳米粒子的光学特性是许多应用的基础，例如化学和生物医学传感、 表面增强光谱、和近场扫描光学显微镜。金或银纳米粒子中的电子与入射光场相互作用时产生局域表面等离子体共振 (LSPR)。这种 LSPR 现象强烈依赖于纳米结构的尺寸、形状和周围介电环境。特别是后者 的依赖性开辟了一条折射率传感的道路，对于一定的折射率变化，LSPR现象将导致较大的光谱偏移，从而可以检测介电环境微小的变化。在实际应用中，金属纳米结构的损失是不可避免的。为了实现低损耗器件，人们通过优化结构几何形状和使用增益材料来降低损耗。超材料是共振金属纳米结构，其晶胞远小于光的工作波长，通过正确设计超材料中的电磁响应，可以实现完美的吸收。一般来说，在实际应用中，理想的吸收体对入射角和光的偏振不敏感。

我们的传感器方案提出了潜在的折射率传感器平台，其中局域表面等离子体共振传感基于简单的反射率测量，只需使用单波长光源就可完成。图 1 展示了吸收体传感器结构的几何形状。它由两个功能层组成：最上层是金纳米盘阵列，最下层是金镜，这两层由 MgF2 电介质隔开。该结构设计为在垂直入射时在 x 和 y 方向上与偏振无关。

图1 传感器结构

为了证明我们的吸收器用作LSPR传感器的可行性，图2a显示了空气（n=1）和水（n=1.312）的仿真反射光谱，周围介质折射率的变化会导致反射光谱谷的移动；图2b展示进一步研究LSPR折射率传感器的灵敏性，将折射率差值为0.01的不同溶液作为周围介质进行仿真，可以看出该器件具有高灵敏度。

图2 (a)传感器在水和空气中的反射率光谱；(b) 传感器的灵敏度仿真

由于金属纳米结构的表面等离子共振强烈依赖于结构的尺寸、形状和周围介电环境，因此我们对纳米结构的不同半径和高度进行仿真，以实现能够运用于不同波段的折射率检测（图3），因此也可以设置相应的结构大小满足我们想要的波长下的折射率传感和检测。

图3 (a)不同半径的Au纳米盘反射率光谱；(b) 不同高度的Au纳米盘反射率光谱

为了更好地理解等离子吸收的性质，我们模拟了谐振时的纵向截面电场分布，如图 4a 所示。很明显，光波入射时，两层之间会产生局域电磁场的强烈增强。因此，电磁场可以有效地限制在中间 MgF2 层中，导致光谱中出现明显的反射率下降。图 4b 显示了等离子共振波长下Au圆盘周围的电近场强度剖面（横向截面），可以看出Au圆盘边缘周围的电场强度显著增强。

图4 (a) xz截面的电场分布；(b) xy截面的电场分布