用于超声检测的 Lab-on-Fiber 等离子探针：对比研究外文翻译资料

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用于超声检测的 Lab-on-Fiber 等离子探针：对比研究

摘要：本文对用于声学（超声）传感应用的 Lab-on-Fiber 设备进行了数值研究。具体而言，分析了基于金属-介电层混合纳米结构的四种不同构型（具有亚波长尺寸），它们支持等离子体激元模。在共振波长处的频谱特征和电场分布方面进行了比较。对于每种结构，反射强度随介电平板厚度的变化而变化，估计灵敏度在几百纳米的范围内。我们证明灵敏度可以通过利用不同等离激元模式之间的相互作用来最大化。还评估了声光系数的影响。在等离子相互作用机制中，我们发现声光效应也有助于提高灵敏度性能。总体而言，与使用相同材料且尺寸相当的Fabry–Perot基于腔的换能器相比，可获得约3的灵敏度增强因子。

索引词：声换能器，光栅，纳米结构材料，光纤传感器，周期性结构，等离激元

一、介绍

现代超声（US）设备基于压电换能器（PZT），通过转换声波转换成电信号，反之亦然。PZT技术已在美国非接触式诊断领域得到了广泛的应用[1]。在过去的几十年中，已经做出了许多努力来进一步提高基于PZ的设备在成像分辨率方面的性能。所提出的方法基本上旨在减小换能器的厚度（以增加工作频率的方式），并探索不同的复合材料以提高灵敏度[1]，[2]。而且，电容式换能器（CMUT）最近也成为PZT的有前途的替代品，它提供了通过利用微细加工技术来实现紧凑型设备的可能性[3]。然而，需要避免串扰问题并隔离电连接，这限制了小型化并因此限制了嵌入式系统的开发。此外，由于需要电连接，因此在人体等恶劣环境下（体内超声检查）很难使用PZT和CMUT。

所有这些问题都可以通过利用声光换能器来克服，尤其是利用它们集成到光纤的优势[4]，[5]。除了不受电磁干扰，缺乏电连接和玻璃的生物相容性外，光纤的小横截面和高长宽比还提供了固有的光耦合基板，特别适合于微小的体内原位传感应用。

具体而言，光纤刻面提供了合适的平台，在该平台上可以集成微米级和纳米级的功能材料和设备。这些结构可以直接制造在光纤的末端，也可以使用粘结技术连接。迄今为止，已经提出了许多可靠而有效的制造方法，从而导致了所谓的 Lab-on-Fiber 技术的发展[6]，[7]。

关于超声成像，已经提出了在光纤尖端上实现的声光换能器，在带宽和灵敏度方面具有优势[8]，[9]。在所有这些设备中，US检测原理基本上都是基于低杨氏模量平板中发生的干涉效应，与Fabry–Perot腔的有源介质一致。

特别是，当声波撞击到光纤尖端时，有源层会受到压缩/膨胀，由于Fabry–Perot腔长度的变化而导致反射率光谱特征的调制[10]，[11]。由于光谱特征质量因子的提高，在平板界面处使用金属反射器可以提高灵敏度。Fabry–Perot腔虽然易于制造，但其固有尺寸受到限制，原因是必须具有至少工作波长一半的光学厚度才能产生共振效应，从而限制了最终器件的紧凑性。而且，光腔厚度是可用于调谐工作波长的唯一自由度。考虑到 Lab-on-Fiber 技术所提供的潜力，在这项工作中，我们通过数值研究了基于具有亚波长尺寸（约100 nm厚的介电层）的金属介电光栅的内部结构，集成在光纤的尖端并支持等离子体共振[12]。

对不同的基于 Lab-on-Fiber 的结构进行了分析，并在灵敏度方面进行了比较，灵敏度定义为考虑了介电层厚度的变化（范围在几百个纳米）时的反射强度变化（在固定波长下）。利用金属-介电层混合结构提供的自由度来优化器件灵敏度。总的来说，我们发现当在金属纳米结构附近激发的不同等离子体模式之间发生相互作用时，可以提高灵敏度。

本文的其余部分安排如下：在第二节中，我们通过介绍所研究的结构来介绍研究案例；在第三节中，我们定义了灵敏度和我们分析中使用的其他参数；在第四部分中，我们研究了提出的探针的敏感性，并简要讨论了潜在的物理学。第五节讨论了与标准Fabry-Perot换能器的比较，然后讨论了声光系数对灵敏度评估的影响。最后，第六节是结论。

二、研究案例

已经研究了四种基于金属介电光栅的 Lab-on-Fiber 探头（如图1所示），以下分别标记为结构A，B，C和D。为了简化研究，在这里我们将我们的分析限于一维光栅。通过使用严格耦合波分析（RCWA）[13]对不同波长的反射散射效率R进行了评估。该结果还通过使用商业软件Comsol Multiphisics（RF模块）[14]进行的有限元法（FEM）模拟得到了证实。在两种情况下，计算域都减少到一个光栅周期，并且边界的Floquet周期条件已应用。此外，我们将注意力集中在标准单模光纤操作的波长范围（1200-1700 nm）中。参考图1，几何设计参数是金属层的厚度（t_m），光栅周期（P），光栅占空比（DC）为光栅脊宽W和周期P的比值，以及介电层厚度（t）。

由于谐振波长与光栅的周期严格相关，因此选择它们的值是为了在标准光纤的单模工作范围内使反射光谱有一个尖锐的峰。取而代之的是，选择光栅占空比以优化在品质因数Q和可见度V方面的谐振形状。在不失一般性的前提下，电介质材料被选择为低杨氏模量聚合物，其建模如下：折射率（RI）n ＝ 1.57，并且厚度t在50至300nm的范围内变化，而金属层厚度t_m保持固定为50nm。在我们的分析中考虑的金属是黄金，根据Palik [15]建模。光纤熔融石英RI取自[16]，而我们假设水为外部介质（RI等于1.33）。

给定介电层厚度，下面的分析是通过假设反向磁场（TM）偏振入射光（电场沿与光栅脊正交的方向振荡），能够激发由金属光栅支撑的等离子体共振。有趣的是，对于大于300 nm的介电层厚度，除了等离子体共振以外，还可以激发在聚合物层内部传播的引导模式[17]。引导模式的灵敏度分析远远超出了这项工作的范围。

三、观测值和方法论

集成在光纤尖端上的金属纳米结构的设计方式是，由于等离子体共振激发，可以捕获给定波长的光。撞击在结构上的声波会修改（低杨氏模量）介电层厚度t，从而提供与等离子共振相关的反射光谱特征的波长偏移。

结果，在我们的分析中，灵敏度S定义为（1）的最大值：

其中R（t，lambda;）是反射光谱。

灵敏度S可以进一步定义为两个项S_lambda;和S_R的乘积，定义为：

第一项S_R是工作波长下的反射光谱斜率，而第二项S_lambda;代表由介电层厚度变化引起的共振波长偏移。

还针对每种结构评估了共振品质因数（Q）和可见度（V）。Q因子定义为对应于反射峰的波长lambda;与在最大值一半时的宽度值（FWHM）之间的比率，而可见度定义为：

一旦设置了光栅几何参数，就可以对每种结构的灵敏度进行评估分析。上面定义的其他参数（FWHM，Q，V，S_lambda;，S_R）也被计算并报告为t的函数。为了在我们观察的基础上更好地理解现象学，还显示了共振波长处的电场强度图并讨论。

最后，需要强调的是，根据[18]，[19]，在此处分析的聚合物层厚度范围内，预计声光效应对灵敏度评估的影响可忽略不计。无论如何，第五节还讨论了声光系数对灵敏度评估的影响。

四、结构分析

A. 结构A

第一个分析的结构是结构A，由金周期性光栅制成，该光栅在沉积在劈开的光纤尖端上的平坦介电层上实现。

在图2（a）中，显示了作为占空比函数的反射光谱的彩色图。平板厚度为100 nm，周期为1mu;m，导致反射光谱位于1450 nm处下降。在较高的DC值下，高反射率基线会被急剧下降中断，对于较高的DC值，其品质因数会增加。根据此结果，我们将DC设置为0.9。

在图2（b）中，显示了当周期和DC分别为1mu;m和0.9时，介电板厚度-反射率彩色图。我们发现，随着电介质层厚度的增加，谐振谷点以线性趋势向更长波长移动。此外，波长红移伴随着谐振品质因数的逐渐劣化。

从图3的曲线图中，有趣的是注意到S_lambda;和S_R之间的不同趋势。实际上，虽然S_lambda;几乎恒定（0.1 a.u.），但S_R随板坯厚度的增加呈现非线性下降的趋势。S_R趋势可以这样解释，随着平板厚度的减小，共振峰反常地接近Wood-Rayleigh（发生在lambda;= n_fibertimes;Pasymp;1.445mu;m处）并且有点压制了它，从而提高了Q因子。灵敏度S假定最大值约为20 （1 /mu;m）对应于t = 50 nm。

在整个研究的介电层厚度范围内，谐振可见度几乎恒定，值gt; 90％。

通过观察图4中报告的电场强度图，可以清楚地看到，对于较大的t值，等离子体共振主要集中在聚合物平板内部。对于小于200 nm的聚合物厚度，电场异常的为典型的Wood-Rayleigh分布[20]，[21]。同样重要的是要指出，谐振模在光纤本身内部的强力限制使谐振条件几乎与周围RI的波动无关。

B. 结构B

结构B相对于前一个具有相反的几何形状；基本上，将电介质板放在直接在光纤尖端上实现的金光栅上。在这种情况下，根据图5（a）所示的DC-反射率彩色图，我们选择了0.8的DC和1mu;m的周期。实际上，由于光栅正好位于光纤的顶部，因此较高的DC值基本上会反射大部分入射光，从而限制了入射光与聚合物平板的相互作用，从而限制了整体灵敏度。

通过查看图5（b），其中显示了介质板厚-反射率彩色图，对应于210 nm附近的板坯厚度定义范围，出现了凹陷的逐渐消失。如以下更好地讨论的，该效果主要是由于在两个不同界面处激发的等离子体模式之间的模式转变，即在金和纤维（在底部）或聚合物（在顶部）之间。

相对于与结构A有关的结构，此结构表现出相反的灵敏度趋势。在图6中可以观察到，除了反射峰下降、可见度降低的厚度范围外，对于更大的电介质平板厚度，灵敏度也会提高。这种趋势主要是由于S_lambda;分量与聚合物层的厚度成正比。对于厚度为50 nm的电介质平板，灵敏度S的值低于结构A所获得的值，而对应于300 nm，S假定值高达〜65 （1 /mu;m）。

反射峰“关闭 /开启”效果发生在lambda;= 1.455mu;m左右，也可以用作反射光强度调制。事实上，图6中的可见度曲线在厚度100-200 nm范围内呈线性下降趋势，而在250-300 nm范围内呈线性增长趋势，假设值介于〜0.05和〜0.65之间。

对应于50 nm的介电平板的电场强度图（图7）在lambda;= n_fibertimes;P的情况下，在光纤方面异常显示出受Wood-Rayleigh影响的分布。随着电介质平板厚度的增加，与光栅相互作用的光逐渐“看到”外部有效RI的增加（考虑到聚合物RI与置于金光栅上方的水之间的平均值）。当有效RI接近光纤的RI（对于180 nm至240 nm的厚度）时，该结构在所研究的波长范围内表现为镜面[22]。

对于大于〜240 nm的厚度，反射会出现新的峰，是由于重新结构了现在位于金/聚合物界面的等离子体模式。有趣的是，通过进一步增加板坯厚度，在lambda;= n_polymertimes;P = 1.57mu;m（此处未显示）时，聚合物的折光率峰向Wood-Rayleigh异常偏移。对于迄今为止分析的两种构造，峰偏移都可以与聚合物平板厚度变化引起的有效RI调制相关。

为了提高灵敏度，在以下各节中，我们将研究在不同等离子体共振之间建立相互作用的混合构型。基本上，我们分析的结构是将电介质层夹在两个金属膜之间，并最终进行构图以形成一维光栅。

C.结构C

结构C的几何结构与结构B的本质不同，在于在聚合物层的顶部添加了金镜。关于结构B，金镜的存在会引起反射率峰的红移，因此需要较小的周期（P = 850 nm）才能将反射率峰设置在感兴趣的波长范围内（见图8（a））。选择0.9的占空比值作为共振Q因子和可见性之间的良好折衷。参考图8（b），反射率峰波长呈现出与先前结构中相反的趋势。实际上，只要增加电介质板的厚度，共振谷移向较小的波长，从而减小其带宽（对应于Q因子的提高）。

此行为是由于两个等离子体模式之间的相互作用引起的：第一个位于底部光栅附近，第二个位于顶部的金/聚合物界面。光纤端面上的金光栅支持等离子定位（请参阅结构B），在准静态视图中，该等离子定位假设为偶极结构[23]，[24]。

当均匀的金层接近图案化的金层时，在界面金层-聚合物处激发了表面传播等离子体激元（SPP）共振。在准静态视图中，SPP具有偶极结构，该偶极结构相对于原始的（靠近底层金层）是反对称的。结果，这两个偶极分布导致横向反对称耦合，从而导致恢复力的减小，并因此导致谐振波长的增加[25]。此外，随着底部和顶部金属结构彼此接近（i.e.当板坯厚度变小时），由于等离激元相互作用很强，所以共振品质因数降低，从而导致高吸收损耗。

尽管S_R的值很低（主要是由于共振Q值低），但当t较小时，S_lambda;的值要比以前分析得到的值高10倍以上（见图9）。随着介电层厚度t的增加，灵敏度值趋于轻微减少。最大灵敏度值45 （1 /mu;m）对应于t ＝ 50nm。总体而言，由于等离子体模式相互作用，与结构A相比，可获得约2的灵敏度增强因子。

正如我们从图10中可以看到的，尽管厚度非常小（低于200 nm），但电场主要分布在聚合物区域内。换句话说，当它的厚度不够高而不能

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