自參考磁流體磁場(chǎng)傳感器研究*

趙浩旭，蘭云蕾，周志鵬，趙國(guó)梁，于 洋，武繼江

（山東理工大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，山東 淄博 255000）

引言

當(dāng)光波在金屬與電介質(zhì)界面上傳播時(shí)，在滿足一定的條件下，能夠激發(fā)出表面等離極化激元（surface plasmon polaritons，SPPs），這是一種局域化的電磁表面波傳播模式。基于這種電磁表面波的光學(xué)傳感器已在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，并得到很好的發(fā)展[1]。近年來(lái)，一種新型被稱為塔姆等離子體激元（Tamm plasmon polaritons，TPPs）的電磁表面模式也逐步引起了研究者們的研究興趣[2]。這種電磁表面波可通過(guò)加載有金屬薄膜的分布式布拉格反射鏡（distributed Bragg reflector，DBR）的光學(xué)結(jié)構(gòu)來(lái)激發(fā)。表面等離極化激元的激發(fā)對(duì)入射光的偏振態(tài)有一定的要求，而塔姆等離子體激元這種表面波的激發(fā)對(duì)入射光的偏振態(tài)沒有要求，橫電偏振光和橫磁偏振光均能夠激發(fā)。研究表明，一個(gè)金屬-DBR 光學(xué)結(jié)構(gòu)能激發(fā)單個(gè)塔姆等離子體激元。近來(lái)，人們構(gòu)造出一種含兩個(gè)金屬-DBR 的光學(xué)結(jié)構(gòu)，研究表明該結(jié)構(gòu)可激發(fā)兩個(gè)塔姆等離子體激元。研究還表明，在一定的結(jié)構(gòu)參數(shù)下，所激發(fā)的兩個(gè)塔姆等離子體激元中，其中一個(gè)對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化不敏感。基于這一特性，可實(shí)現(xiàn)了自參考傳感器，并在溫度、折射率和血液樣品成分的傳感測(cè)量方面得到很好的應(yīng)用[3-5]。

作為一個(gè)重要的物理參數(shù)，磁場(chǎng)的傳感測(cè)量備受人們的關(guān)注。目前有各種方法可實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的測(cè)量。其中由于光學(xué)方法不易受電場(chǎng)干擾的影響而在磁場(chǎng)傳感中顯示出優(yōu)異的性能。在各種光學(xué)方法中，基于磁流體（magnetic fluid，MF）的各類磁場(chǎng)傳感器備受研究者的青睞。磁流體是一種磁性微粒在表面活性劑的作用下均勻彌散于載液中所形成的穩(wěn)定膠狀體系。它既有固體的磁性，還具有液體的流動(dòng)性。磁流體的折射率可隨外加磁場(chǎng)變化，基于此，人們已提出各種光學(xué)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的傳感測(cè)量。本文把磁流體和雙金屬-DBR 光學(xué)結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)，基于該光學(xué)結(jié)構(gòu)所激發(fā)的塔姆等離子體激元的特性實(shí)現(xiàn)自參考磁場(chǎng)傳感。

1 結(jié)構(gòu)模型

所研究的自參考磁流體磁場(chǎng)傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，該結(jié)構(gòu)可表示為DBR-M-MF-M-DBR。這里M表示金屬薄膜，類似于許多文獻(xiàn)，采用常用的貴金屬Ag，其介電模型采用Drude-Lorenz 模型[6]。圖1 中左右兩側(cè)對(duì)稱分布的DBR 均由折射率分別為nL=1.47 和nH=2.1 的兩種電介質(zhì)材料SiO2和TiO2構(gòu)成，介質(zhì)層厚度為λ/4ni（i=L，H）。這里 λ 為中心波長(zhǎng)，類似于文獻(xiàn)[6]，取為 550nm。研究表明，光學(xué)結(jié)構(gòu)DBR-M-MF 可激發(fā)一個(gè)塔姆等離子體激元。圖1 所示結(jié)構(gòu)實(shí)際包含兩個(gè)完全一致的DBR-M-MF結(jié)構(gòu)，將激發(fā)兩個(gè)塔姆等離子體激元，而在一定的條件下兩個(gè)塔姆等離子體激元之間還會(huì)發(fā)生相互耦合。此外，由圖1 還可看出，該結(jié)構(gòu)實(shí)際還是一個(gè)對(duì)稱的共振腔結(jié)構(gòu)，處于中間的磁流體MF 對(duì)共振腔的腔模及兩個(gè)塔姆等離子體激元之間的相互作用會(huì)產(chǎn)生重要影響。

圖1 自參考磁場(chǎng)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

圖1 中磁流體傳感層MF 選擇常用的水基鐵酸錳（MnFe2O4）磁流體。磁流體的折射率由磁性納米微粒的折射率、載液的折射率和納米微粒的體積百分比等參數(shù)確定[7]。磁流體的折射率還是外加磁場(chǎng)的函數(shù)。外加磁場(chǎng)的相對(duì)大小可用磁場(chǎng)因子α 來(lái)表征。

由于磁流體的折射率是外加磁場(chǎng)的函數(shù)，當(dāng)外加磁場(chǎng)變化時(shí)，磁流體的折射率也隨之變化，光學(xué)結(jié)構(gòu)DBRM-MF-M-DBR 所激發(fā)的塔姆等離子體激元也隨之變化，通過(guò)檢測(cè)該結(jié)構(gòu)所激發(fā)的塔姆等離子體激元，外加磁場(chǎng)的情況也就清楚了。對(duì)圖1 所示分層結(jié)構(gòu)磁場(chǎng)傳感特性的研究可采用大家熟知的傳輸矩陣法進(jìn)行。

2 數(shù)值結(jié)果及分析

對(duì)光學(xué)結(jié)構(gòu)DBR-M-MF-M-DBR，圖2 給出了垂直入射時(shí)的反射譜。作為對(duì)比，圖2 中還給出了DBR 和DBR-M-MF 兩種結(jié)構(gòu)的反射譜。計(jì)算中，兩金屬Ag 層M的厚度均取為30nm；磁流體MF 中磁性納米微粒的體積百分比為0.815，磁場(chǎng)因子a=0.5，厚度dMF=100nm。在結(jié)構(gòu)DBR-M-MF-M-DBR 中每個(gè)DBR 的周期數(shù)為8，而在其他結(jié)構(gòu)中DBR 的周期數(shù)為16。

由圖2 可以看出，當(dāng)把金屬薄膜加載到DBR 結(jié)構(gòu)上，DBR 的反射譜發(fā)生了很大的變化，在原來(lái)的高反射帶中出現(xiàn)一個(gè)低反射凹峰（dip），這個(gè)dip 就對(duì)應(yīng)著結(jié)構(gòu)DBR-M-MF 所激發(fā)的塔姆等離子體激元（圖2 中的單TPP）。該dip 對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為當(dāng)前結(jié)構(gòu)參數(shù)下塔姆等離子體激元的共振波長(zhǎng)。而對(duì)雙DBR-M-MF 結(jié)構(gòu)，則在高反射帶中產(chǎn)生兩個(gè)塔姆等離子體激元（圖2 中的雙TPP）。在當(dāng)前參數(shù)下，雙DBR-M-MF 結(jié)構(gòu)所激發(fā)的兩塔姆等離子體激元的共振波長(zhǎng)TPP1和TPP2分別約為613.8nm 和630.2nm。

圖2 幾種光學(xué)結(jié)構(gòu)的反射譜

圖3 雙TPP 結(jié)構(gòu)中兩共振波長(zhǎng)隨MF 層厚度的變化

磁流體傳感層MF 對(duì)光學(xué)結(jié)構(gòu)DBR-M-MF-M-DBR所激發(fā)的塔姆等離子體激元的特性具有重要影響。圖3給出了磁流體層厚度dMF對(duì)所激發(fā)的塔姆等離子體激元兩個(gè)共振波長(zhǎng)的影響。計(jì)算中，DBR 的周期數(shù)為6，其他相關(guān)參數(shù)同圖2。由圖3 可以看出，兩共振波長(zhǎng)TPP1和TPP2均隨著磁流體傳感層厚度dMF的增加而向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，但兩共振波長(zhǎng)對(duì)dMF敏感程度有很大差異。共振波長(zhǎng)TPP2對(duì)dMF的變化不敏感，而共振波長(zhǎng)TPP1對(duì)dMF的變化則非常敏感，特別是在dMF小于110nm 時(shí)。由圖3 還可看出，共振波長(zhǎng)TPP2所對(duì)應(yīng)的反射率基本不隨dMF的改變而改變，而共振波長(zhǎng)TPP1所對(duì)應(yīng)的反射率卻隨著dMF的增大而逐漸增大。

根據(jù)薄膜光學(xué)理論，對(duì)一定的分層結(jié)構(gòu)，其光學(xué)特性是由各介質(zhì)層的光學(xué)厚度決定的。因此，對(duì)于圖3 所示結(jié)果，若保持磁流體層的幾何厚度dMF不變，而改變磁流體層的折射率，也會(huì)有類似結(jié)果。磁流體的折射率是外加磁場(chǎng)的函數(shù)，圖4 給出了在不同的磁場(chǎng)因子a 下結(jié)構(gòu)DBR-M-MF-M-DBR 的反射譜。計(jì)算中，除磁場(chǎng)因子a外，其他參數(shù)同圖2。由圖4 可以看出，共振波長(zhǎng)TPP1隨著磁場(chǎng)因子a 的增大而向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。而相對(duì)而言，共振波長(zhǎng)TPP2幾乎不隨磁場(chǎng)因子a 的變化而發(fā)生變化。在實(shí)際磁場(chǎng)傳感測(cè)量中，除了直接檢測(cè)共振波長(zhǎng)TPP1來(lái)實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的傳感測(cè)量，還可把共振波長(zhǎng)TPP2作為參考波長(zhǎng)，只要檢測(cè)到共振波長(zhǎng)TPP1和相對(duì)于TPP2作的波長(zhǎng)改變量，就可知道外加磁場(chǎng)的大小。

圖4 不同磁場(chǎng)因子下的反射譜

圖5 不同磁流體層厚度下共振波長(zhǎng)TPP1 隨磁場(chǎng)因子的變化曲線

由圖3 可以看出，傳感介質(zhì)層MF 的厚度dMF對(duì)傳感器具有重要影響。為了更清楚地了解磁流體層對(duì)傳感靈敏度的影響，圖5 給出了在不同的磁流體層厚度下，共振波長(zhǎng)TPP1隨磁場(chǎng)因子a 的變化曲線。由圖5 可以看出，隨著dMF的增大，TPP1向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，這與圖3 的結(jié)果一致。還可看出，dMF越小，TPP1對(duì)外磁場(chǎng)的變化越靈敏，傳感靈敏度越高。由于在分層光學(xué)結(jié)構(gòu)，真正起作用的是介質(zhì)層的光學(xué)厚度，圖3 中的計(jì)算結(jié)果也顯示了這一點(diǎn)。計(jì)算表明，dMF=70nm 時(shí)，共振波長(zhǎng)TPP1的偏移量約為87.8nm，遠(yuǎn)大于基于光子晶體缺陷結(jié)構(gòu)采用單層磁流體所實(shí)現(xiàn)的磁場(chǎng)傳感器的探測(cè)靈敏度[8]。由上面的分析可知，為了得到較高的探測(cè)靈敏度，磁流體層MF 的厚度dMF要盡可能小。但由圖3 也可看出，隨著dMF的減小，反射率也隨之減小，較低的反射率在一定程度上將影響共振波長(zhǎng)的探測(cè)。因此為了得到較好的探測(cè)性能，對(duì)圖1 所示結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)還需作進(jìn)一步的優(yōu)化。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于雙金屬-DBR 結(jié)構(gòu)所激發(fā)的塔姆等離子體激元的光學(xué)特性，提出一種自參考磁流體磁場(chǎng)傳感器。在該結(jié)構(gòu)中，傳感介質(zhì)磁流體置于兩金屬-DBR 結(jié)構(gòu)的中間。該傳感結(jié)構(gòu)，所激發(fā)的其中一個(gè)塔姆等離子體激元的共振波長(zhǎng)對(duì)外磁場(chǎng)變化比較靈敏，而另一個(gè)共振波長(zhǎng)對(duì)外磁場(chǎng)的變化則比較遲鈍，依照該性質(zhì)提出了自參考磁場(chǎng)傳感器。計(jì)算結(jié)果表明，所提出的磁場(chǎng)傳感器相對(duì)于采用光子晶體缺陷結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的磁場(chǎng)傳感器在傳感靈敏度上有較大提高。為了提高所提出的傳感器的傳感性能，后續(xù)還需對(duì)該結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)作進(jìn)一步的優(yōu)化。