Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова
Московский физико-технический институт (Государственный университет)
Институт теоретической и прикладной электродинамики РАН
Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН
Исследование плазмонного резонанса на медной пленке, напыленной на световод с наклонной брэгговской решеткой
И. А. Нечепуренко, А. В. Дорофеенко, К. А. Томышев, О. В. Бутов
1 апреля 2015
Аннотация
Экспериментально реализован метод возбуждения плазмонного резонанса на медной пленке, напыленной на поверхность световода с записанной в нем наклонной брэгговской решеткой. Найдено объяснение исчезновения четкого плазмонного резонанса в спектре прохождения системы. Показано, что в течение нескольких часов после нанесения пленки плазмонный резонанс испытывает красное смещение и претерпевает уширение, вплоть до полного исчезновения резонанса. Эти эффекты хорошо согласуются с расчетом, в котором учтена деградация слоя меди. Найдено характерное время, в течение которого медная пленка сохраняет плазмонные свойства.
Ключевые слова: плазмонный волоконнооптический датчик показателя преломления, наклонная брэгговская решетка, оболочечные моды оптического волновода.
Abstract
A method of surface plasmon resonance excitation in a copper film deposited onto a lateral surface of fiber, which contains a tilted fiber Bragg grating in its core, is realized experimentally. A reason for disappearance of distinct plasmon resonance is determined. It is shown that within some hours after the film deposition plasmon resonance is subject to redshift, accompanied by broadening, which leads to the resonance evanescence. These effects are in good agreement with calculation, which takes the copper degradation into account. A characteristic lifetime of the copper film is found.
Keywords: plasmonic optical fiber sensor of refractive index, tilted fiber Bragg grating, fiber cladding modes.
Введение
Возбуждение плазмонного резонанса на металлизированной поверхности диэлектрика в плоской (призма) или цилиндрической (световод) геометрии позволяет сделать систему высокочувствительной к параметрам внешней среды. Это, в свою очередь, открывает возможность создания сенсоров на основе подобных систем.
В основе такого рода устройств лежат схемы, предложенные Кречманном [1] и Отто [2], (рис. 1а, б). Схема Кречманна является более удобной для сенсорных применений, и именно она служит прообразом рассматриваемой здесь схемы. Суть методики заключается в следующем. Пучок, падающий через призму с диэлектрической проницаемостью , основание которой покрыто металлической пленкой, испытывает полное внутреннее отражение от исследуемого материала, находящегося с внешней стороны пленки (рис. 1а). При углах, больших угла полного внутреннего отражения (ПВО) от границы призма/вакуум, в гипотетическом случае отсутствия потерь коэффициент отражения равен единице. Однако такая система содержит скрытую особенность: при определенном угле падения наблюдается резкое возрастание интенсивности поля вблизи границы металла. Поэтому в реальной ситуации, благодаря потерям в металле, вблизи этого угла наблюдается рост поглощения и возникает резкий минимум коэффициента отражения (рис. 2). Это явление принято называть нарушенным полным внутренним отражением (НПВО). Положение минимума крайне чувствительно к свойствам исследуемого материала. Таким образом, по положению минимума можно определить диэлектрическую проницаемость среды, граничащей с металлом.
а б
Рисунок 1. Схемы Кречманна (а) и Отто (б). Синяя линия - распределение интенсивности поля плазмона.
Рисунок 2. Коэффициенты отражения от призмы в схеме Кречманна для p-поляризации. Коэффициент отражения рассчитан для слоя золота толщиной 36 нм (красная кривая) и слоя меди той же толщины (зеленая кривая).
Обычно в качестве материала, обеспечивающего распространение плазмонов, используется золото. Тем не менее, дисперсии золота и меди в ближней ИК-области, часто используемой в волоконных схемах, практически совпадают (рис. 3а, б). Соответственно, спектры отражения плазмонных систем, содержащих золото и медь, также должны быть близки (см. рис. 2). Однако результатов, полученных с использованием медных пленок, в литературе встречается относительно немного [3, 4], что, вероятно, связано с меньшей химимической стабильностью данного материала.
а) б)
Рисунок 3. Дисперсия дейсвительной (а) и мнимой (б) частей диэлектрической проницаемости золота (красные линии) и меди (зеленые линии).
1. Волоконно-оптический плазмонный датчик с наклонной брэгговской решеткой
На основе предложенной Кречманном схемы возникли и различные реализации, позволяющие резонансно усилить поле на границе металлической пленки. Одной из наиболее перспективных для приложений является схема на основе оптического волокна, реализованная и исследованная в ряде недавних работ [5-16]. Насколько нам известно, во всех подобных работах в качестве металла используется золото, и лишь в работе [8] исследуется композит из медных наночастиц. В нашей работе схема на оснве волокна с наклонной брэгговской решеткой впервые реализована с использованием сплошного медного напыления.
Рассматриваемая система представляет собой кварцевый волоконный световод, состоящий из тонкой одномодовой сердцевины диаметром 8-9 мкм и светооотражающей оболочки с внешним диаметром 125 мкм, на которую нанесена металлическая пленка толщиной 30-60 нм (рис 4). На участке сердцевины волоконного световода длиной около 10 мм записана периодическая структура в виде наклонной брэгговской решетки с углом наклона 9.50 по отношению к плоскости, перпендикулярной оси световода (см., например, [7, 9]). Оптический сигнал, распространяющийся по сердцевине световода, попадает на брэгговскую решетку, на которой происходит рассеяние света с возбуждением мод, распространяющихся в оболочке оптоволокна и взаимодействующих с металлической пленкой и внешней средой. плазмонный резонанс кречманн
Рисунок 4. Схема плазмонного датчика показателя преломления на основе оптического волоконного световода, содержащего наклонную брэгговскую решетку.
Локализация моды сердцевины обеспечивается полным внутренним отражением от границы сердцевина-оболочка. Моды оболочки же испытывают полное внутреннее отражение от внешней границы оболочки. Это означает, что дисперсионные кривые мод оболочки лежат в области между световыми конусами, соответствующими внешней среде () и материалу оболочки (стекло, ), см. рис. 5. Здесь и - показатели преломления внешней среды и оболочки соответственно. Дисперсионная кривая моды сердцевины, в свою очередь, проходит между световыми конусами оболочки и сердцевины. В реальной системе коэффициент преломления сердцевины отличается от на величину порядка . Поэтому дисперсию моды сердцевины можно аппроксимировать дисперсией волны в материале волокна (стекле), пренебрегая отличием между оболочкой и сердцевиной:
,
где - волновое число моды сердцевины.
Резонансное взаимодействие моды сердцевины с брэгговским зеркалом сводится к перебросу дисперсионной кривой на постоянную обратной решетки , где - период брэгговской решетки (рис 5, красная штриховая линия). Частота, соответствующая пересечению полученной кривой с дисперсионной кривой моды, бегущей по сердцевине в обратном направлении (показана синей линией на рис. 5), есть частота брэгговского отражения в моду сердцевины. На этой частоте наблюдается резкий минимум коэффициента прохождения (вблизи нм на рис. 6). Сказанное означает, что волновое число в 2 раза больше волнового числа моды сердцевины, испытывающей брэгговское отражение (условие Брэгга). Зная длину волны брэгговского резонанса, находим постоянную обратной решетки:
.
На более высоких частотах (меньших длинах волн) кривая последовательно пересекает различные моды оболочки, что соответствует системе провалов в спектре прохождения (рис. 6).
Рисунок 5. Взаимодействие мод на языке дисперсионных кривых. Красная линия соответствует дисперсионной кривой сердцевины; темная область заполнена дисперсионными кривыми мод оболочки, здесь - тангенциальная компонента волнового вектора, - частота брэгговского резонанса, - область частот, в которой расположены резонансы, связанные с оболочечными модами.
Рисунок 6. Спектр прохождения через оптическое оптоволокно, содержащее брэгговскую решетку с наклоном в своей сердцевине, помещенное в воду. Диаметры сердцевины и оболочки мкм и мкм, показатели преломления , , толщина металлической пленки 30-60 нм.
Условие резонансного взаимодействия мод сердцевины и оболочки получается подстановкой волнового числа в условие переброса ( - волновое число моды оболочки). Таким образом, в спектре прохождения моды сердцевины проявляются моды оболочки, волновое число которых связано с частотой соотношением
.
2. Возбуждение плазмонного резонанса
Для возбуждения плазмонного резонанса в системе на боковую поверхность волоконного световода был нанесен тонкий слой меди. Для нанесения использовался метод термического испарения металла в вакууме. С помощью специально разработанного механизма, в процессе напыления металла световод вращался вдоль своей оси, что обеспечивало равномерное осаждение по всей поверхности покрываемого участка оптического волокна.
При наличии металлического слоя на поверхности диэлектрического волновода происходит возбуждение отдельными оболочечными модами плазмонного резонанса на границе металл/внешняя среда. Результатом резонанса является существенное изменение интенсивности поля вблизи этой границы и резкое уменьшение длины пробега соответствующих оболочечных мод.
Возбуждение плазмонного резонанса происходит при условии равенства волновых чисел оболочечной моды и плазмона: , где
.
Равенство волновых чисел выполняется с точностью до ширины плазмонного резонанса: . В пределах этой ширины находится несколько оболочечных мод. Их резонансное взаимодействие с модой сердцевины гасится в результате поглощения, и система провалов в спектре прохождения моды сердцевины размывается, образуя «перетяжку» (рис. 7). Это позволяет определить положение плазмонного резонанса.
Рисунок 7. Интенсивность сигнала, прошедшего через оптоволокно, содержащее наклонную брэгговскую решетку с наклоном в своей сердцевине, покрытое слоем меди толщиной 33 нм.
Изменение внешнего показателя преломления приводит к смещению положения плазмонного резонанса и, как следствие, к смещению перетяжки в спектре прохождения. Смещение перетяжки может быть использовано для определения внешнего показателя преломления с точностью до . Заметим, что ширина плазмонного резонанса на медной пленке составляет примерно 10 нм, что совпадает с характерной шириной плазмонных резонансов, полученных при использовании золотой пленки (см. например [14]). Таким образом, плазмонный резонанс на медной пленке, нанесенной на оптическое волокно, оказывается достаточно узким, что позволяет ожидать высокой точности измерения показателя преломления [7].
Рисунок 8. Спектральная зависимость интенсивности света, прошедшего через оптоволокно, содержащее наклонную брэгговскую решетку с наклоном в своей сердцевине, покрытое слоем меди, толщиной 33 нм. Сплошная синяя, штриховая красная и пунктирная зеленая кривые получены, соответственно, через 35, 205 и 395 минут после нанесения медной пленки. Измерения спектра проводились при погружении волокна в изопропиловый спирт.
Для исследования поведения плазмонного резонанса при химической деградации медной пленки были проведены измерения спектра прохождения в разные моменты времени в течение нескольких часов после нанесения пленки. Измерения проводились при погружении участка световода с медной пленкой в концентрированный раствор изопропилового спирта. В промежутках между измерениями сенсор находился в воздухе. Существенное изменение спектра происходило за время порядка 2-3 часов после нанесения пленки (рис 8). В течение этого времени наблюдается уширение резонанса с небольшим сдвигом вправо по оси длин волн.
Для анализа наблюдаемых эффектов были численно определены верхняя и нижняя огибающие спектров на рис. 8. Разность значений, соответствующих этим огибающим, дает представление о параметрах плазмонного резонанса - его частоте и ширине (рис. 9).
Рисунок 9. Профиль плазмонного резонанса на меди, толщиной 33 нм. Сплошная синяя кривая - сигнал, измеренный через 35 минут после напыления, штриховая красная кривая - сигнал, измеренный через 205 минут и пунктирная зеленая кривая - сигнал, измеренный через 395 минут.
Уширение плазмонного резонанса в процессе деградации медной пленки связано с ростом потерь, которые могут быть вызваны рассеянием волны на неоднородностях, образующихся в результате окисления меди. Качественное описание процесса деградации медной пленки возможно путем сравнения параметров плазмонного резонанса (частоты и ширины) с аналогичными параметрами, рассчитанными для схемы Кречманна. Чтобы это сравнение было корректным, сканирование длины волны в схеме Кречманна должно сопровождаться одновременным изменением угла падения таким образом, чтобы тангенциальное волновое число падающего луча было равно волновому числу оболочечной моды, определенной по формуле, т.е. , где находится по формуле. Коэффициент отражения, соответствующий табличным значениям диэлектричной проницаемости меди [17], показан синей кривой на рис. 10. Сравнение синих кривых на рис. 9 и 10 показывает, что расчет неплохо предсказывает экспериментально наблюдаемое положение плазмонного резонанса и его ширину.