基于磁光表面等离子体共振(MOSPR)的折射率传感器研究

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表面等离子体共振是近些年来快速发展的一个新型传感技术,由于其对周围折射率环境的高灵敏度、无需标记、无损、可实时探测等特点,目前已大量应用于生物检测、食品安全、环境监测等多个领域中。磁光表面等离子体共振是表面等离子体共振与磁光效应相结合得到的现象,相比表面等离子体共振它具有更高的信噪比和检测限,目前其作为传感器的灵敏度已可以应用,但仍需进一步提高,因此如何进一步提高其灵敏度是一个值得研究的课题。本文根据磁光表面等离子体共振传感器件灵敏度会受到其中磁性材料的磁光常数影响的原理,采用了具有相比目前所用磁性层材料(铁、钴等)磁光常数更高的铁钴合金(FexCo1-x)作为磁光表面等离子体共振器件的磁性层材料,对不同成分的FexCo1-x在Au/FexCo1-x磁光表面等离子体共振结构中的传感性能进行了研究。通过对不同成分FexCo1-x薄膜的表征,利用新的方式(最小二乘法拟合)计算出了各成分下FexCo1-x的介电常数和磁光常数。根据所得光学参数通过4×4转移矩阵法对Au/FexCo1-x结构仿真计算,并对器件结构进行了优化设计。我们对设计所得结构进行了实验制备,发现各成分下Au/FexCo1-x结构的最优传感灵敏度与该成分FexCo1-x磁光效应的强弱有关,所有结构中Au/Fe0.7Co0.3结构具有最优的传感灵敏度,证明了FexCo1-x可作为一种强磁光效应金属薄膜应用于高灵敏度MOSPR传感器。此外,由于FexCo1-x的高磁致伸缩效应,未来基于Au/FexCo1-x等磁光表面等离子体共振结构也能发展出基于MOSPR现象的应变传感器。本文同样研究了近几年提出的全介质谐振结构对磁光效应的增强作用。类似于局域型表面等离子体共振,全介质谐振结构中也存在谐振,且相比金属而言有一个新的磁谐振模式存在。由于介质本身的低损耗,我们认为其谐振附近对磁光效应有一个高优值的增强作用。通过有限元软件COMSOL对全介质谐振结构的仿真分析,我们证实了这想法。根据这个原理,我们提出全介质谐振结构未来能够替代磁光表面等离子体共振结构得到一个新型的高优值折射率传感器。
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