Плазмон-поляритонный двухрезонансный датчик

Полезная модель относится к области плазмонной сенсорики, и в частности к разработке оптико-электронных устройств, работа которых основана на явлении возбуждения резонансных плазмон-поляритонных колебаний. Полезная модель может быть использована в качестве датчика для мониторинга изменений состояния газовых сред и может применяться в промышленном производстве, медицине, для мониторинга состояния экологии окружающей среды и т.д.
Известно достаточно большое количество сенсорных систем, работа которых основана на явлении плазмон-поляритонного резонанса. Однако чувствительность и точность таких систем существенно зависит от параметров резонансного пика плазмон-поляритонного резонанса. В числе факторов влияющих на чувствительность и точность плазмон-поляритонных детекторов можно выделить: показатель добротности и ассиметричность резонансного пика, процесс деградации плазмонного покрытия, дрейф резонансного пика и т.д.
Известен плазмон-поляритонный фотодетектор для определения концентрации примесей этанола в газовых смесях (Патент UA №39869 МПК G01N 21/55, опубл. 10.03.2009, Бюл. №5, 2009 г.), который включает в себя источник р-поляризованного монохроматического излучения и оптически связанный с ним чувствительный элемент, который состоит из поверхностно-барьерной гетероструктуры полупроводник-золото с периодично-профилированной границей раздела в виде дифракционной решетки и нанесенной на слой золота селективно-чувствительной пленки.
Общим с заявляемым решением признаком является использование в качестве детектирующего элемента плазмон-поляритонного резонанса, возбуждаемого р-поляризованным монохромным излучением.
Недостатком технического решения является наличие одного резонансного пика. Вследствие этого чувствительность прибора существенно зависит от показателя добротности резонанса.
Известен детектор поверхностного плазмонного резонанса для химического и биохимического анализа (Патент UA №46512 МПК G01N 21/55, G01N 33/553, G01N 33/543, опубл. 15.05.2002, Бюл №5, 2002 г.), включающий в себя призму внутреннего отражения и нанесенный на поверхность призмы рабочий элемент толщиной 45-60 нм, который содержит в себе пленку золота и отличается тем, что рабочий элемент дополнительно имеет пленку серебра, расположенную между призмой и пленкой золота, при этом соотношение толщины пленки серебра к толщине пленки золота составляет 1:3,1.
Общими с заявляемым решением признаками являются использование схемы Кретчмана для возбуждения поверхностных плазмон-поляритонных волн, использование в качестве основного плазмонного элемента нанопленки золота.
Недостатком технического решения является относительно низкая добротность резонансного пика и наличие одного пика плазмон-поляритонного резонанса, что приводит к низкой чувствительности прибора.
Известен детектор на основе поверхностного плазмонного резонанса для измерений показателя преломления жидкостей и использования при биохимических исследованиях (Патент UA №98265 МПК G01N 21/63, опубл. 27.04.2015, Бюл. №8, 2015 г.), включающий в себя стеклянную призму (чип) с нанесенным слоем золота, который отличается тем, что в него дополнительно введен покрывающий слой оксида ниобия, расположенный на пленке золота.
Общими с заявляемым решением признаками являются использование схемы Кретчмана для возбуждения поверхностных плазмон-поляритонных волн, использование в качестве основного плазмонного элемента нанопленки золота.
Недостатком технического решения является использование внешнего слоя из оксида ниобия с высоким показателем преломления, что не позволяет реализовать двухрезонансную схему. Подобная система содержит лишь один резонансный плазмон-поляритонный пик, то есть чувствительность и точность прибора определяются параметрами добротности и деградации резонансного пика.
В качестве прототипа выбран детектор на эффекте поверхностного плазмонного резонанса (Патент UA №108682 МПК G01N 21/63, опубл. 25.05.2015, Бюл. №10, 2015 г.), содержащий стеклянную призму с нанесенным слоем золота толщиной 50 нм, который отличается тем, что в него дополнительно введен слой из оксида ниобия, расположенный между стеклянной призмой и слоем золота.
Недостатком технического решения является недостаточно высокая чувствительность датчика из-за наличия промежуточного слоя из оксида ниобия с высоким показателем преломления, что не позволяет реализовать двухрезонансную схему. Подобная система содержит лишь один резонансный плазмон-поляритонный пик, то есть чувствительность и точность прибора определяются параметрами добротности и деградации резонансного пика.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение чувствительности датчика.
В основу полезной модели поставлена задача - разработать двухрезонансное плазмон-поляритонное устройство, которое позволит с высокой чувствительностью детектировать изменения состояния газовых сред посредством сравнения положений сенсорного и эталонного пиков на угловых рефлектометрических спектрах.
2
1
2
1
0
0
2
Плазмон-поляритонный двухрезонансный датчик содержит оптическую призму с нанесенным на ее гипотенузную сторону слоем золота и промежуточный диэлектрический слой между гранью призмы и слоем золота, при этом оптическая призма выполнена из материала с высоким показателем преломления n≥2 (например, гадолиний-галлиевый гранат), тонкий промежуточный слой (h ~ 200-300 нм) выполнен из оптически прозрачного диэлектрического материала с показателем преломления n, таким, что n>n>n, где n - показатель преломления анализируемой газовой среды, n - показатель преломления материала призмы, а толщина пленки золота на поверхности диэлектрического промежуточного слоя равна 15-20 нм.
В устройстве используют двухрезонансную тонкопленочную систему, в которой положение одного резонансного пика на угловой спектральной зависимости является стабильным (эталонный пик), а второй пик меняет свое положение в зависимости от параметров детектируемой среды (сенсорный пик). Такая схема детектирования позволяет существенно повысить чувствительность датчика за счет сравнения положения эталонного и сенсорного пиков относительно друг друга.
Общими с заявляемым решением признаками являются наличие оптической призмы с нанесенным слоем золота в качестве основного плазмонного элемента и промежуточного слоя.
Отличительными признаками модели являются:
2
использование призмы с высоким показателем преломления n≥2;
1
2
1
0
нанесение на гипотенузную грань призмы тонкого промежуточного слоя (h ~ 200-300 нм) из оптически прозрачного диэлектрического материала с показателем преломления n, таким, что n>n>n,
0
где n - показатель преломления анализируемой газовой среды;
2
n - показатель преломления материала призмы;
толщина нанесенной на гипотенузную грань призмы поверх промежуточного слоя тонкой пленки золота (Аu) – 15-20 нм.
Использование промежуточного диэлектрического слоя между призмой и пленкой Аu с показателем преломления меньше чем у призмы, но больше чем у анализируемой газовой среды позволяет реализовать двухрезонансную схему детектирования.
Устройство представлено графически.
На Фиг. 1 приведена схема реализации чувствительного элемента двухрезонансного плазмонного датчика, где: 1 - оптическая призма, 2 - волноводный слой, 3 - пленка золота.
Устройство работает следующим образом.
2
2
1
2
1
0
1
2
На гипотенузную грань оптической призмы 1 с показателем преломления n≥2 (например гадолиний-галлиевый гранат) методом вакуумного осаждения напыляют тонкий диэлектрический промежуточный слой 2 (например, из стекла SiO) с показателем преломления n, таким, что n>n>n и толщиной h ~ 200-300 нм. Далее поверх тонкого промежуточного слоя методом вакуумного осаждения напыляют тонкую пленку золота (Аu) 3 толщиной 15-20 нм. В полученном таким образом сенсорном элементе возбуждаются поверхностные плазмон-поляритонные волны с использованием схемы Кретчмана. При этом во время падения р-поляризованного лазерного излучения под углом ϕ возникает условие резонанса по схеме Кретчмана (на границе раздела золото - газовая среда), а при падении под углом ϕ возникает условие резонанса по схеме Отто (на границе раздела золото - промежуточный диэлектрический слой). На угловых рефлектометрических спектрах эти резонансы выглядят в виде двух узких резонансных пиков. При этом положение пика резонанса, возбуждаемого по схеме Отто, определяется из соотношения показателей преломления призмы и промежуточного слоя и поэтому не меняется (эталонный пик), а положение пика резонанса, возбуждаемого по схеме Кретчмана, определяется из соотношения показателей преломления промежуточного слоя и газовой среды и, следовательно, зависит от изменения состояния газовой среды (сенсорный пик). Таким образом, сравнивая положения эталонного и сенсорного пика можно с высокой чувствительностью определять изменения состояния газовой среды.