CN110068533A - 一种基于高q光学微腔倏逝场的传感器 - Google Patents

一种基于高q光学微腔倏逝场的传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种基于高Q光学微腔倏逝场的传感器，包括顺次设置的激光发射器和分束器，第一光束传输至密闭室，第二光束传输至真空室，密闭室连接有一第一光电探测器，第一光电探测器连接有一第一信号处理器，真空室连接有一第二光电探测器，第二光电探测器连接有一第二信号处理器，密闭室与真空室内分别设有一锥形光纤和一高Q光学微腔。通过将高Q光学微腔与锥形光纤巧妙结合，在光学能量集中在高Q光学微腔同时，利用锥形纤维与高Q光学微腔之间的耦合，使得高Q光学微腔外部也产生强的倏逝场，在待检测分子对激发能量要求较高时，也可实现对生物化学分子的超高灵敏检测。

Description

一种基于高Q光学微腔倏逝场的传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种基于高Q光学微腔倏逝场的传感器。
背景技术
在光电领域，Q表示品质因数，表示一个储能器件(如电感线圈、电容等)、谐振电路中所储能量同每周期损耗能量之比的一种质量指标；品质因数Q＝无功功率/有功功率，串联谐振回路中电抗元件的Q值等于它的电抗与其等效串联电阻的比值；元件的Q值愈大，用该元件组成的电路或网络的选择性愈佳。介质光学微腔具有超高的Q值和极小的模式体积，这些特性使得它在微光学器件、高灵敏度传感器等领域有着重要的潜在应用价值。由于高Q光学微腔具有极高的精细度，如果在微腔表面吸附纳米粒子或生物分子对激发能量要求较低，那么微腔的回音壁共振模式将发生明显的移动，光学微腔的敏感性高。但是对于分子对激发能量要求较高的情况时，光学微腔的敏感性将明显降低，这是由于大部分的光学能量都集中在微腔内部，微腔外的倏逝场能量较弱，由于球外是非传播波，球内透出球外的平均能流为0。因此，极大地限制了需要较高激发能量方面的应用，也是微腔作为生物传感器限制其敏感性的一大瓶颈，推广使用受到限制。
发明内容
为解决现有技术中存在的在需要较高激发能量时传感器敏感度低的技术问题，本申请实施例提供了一种基于高Q光学微腔倏逝场的传感器，包括顺次设置的激光发射器和分束器，所述激光发射器发射出的光束通过所述分束器，所述分束器连接有一单模光纤，所述单模光纤将所述分束器接收的光束分为第一光束与第二光束，所述第一光束传输至所述密闭室，所述第二光束传输至所述真空室，所述密闭室连接有一第一光电探测器，所述第一光电探测器连接有一第一信号处理器，所述真空室连接有一第二光电探测器，所述第二光电探测器连接有一第二信号处理器，所述密闭室与所述真空室内分别设有一锥形光纤和一高Q光学微腔。
进一步地，所述密闭室包括一密闭罩；所述真空室包括一真空罩；所述锥形光纤与所述高Q光学微腔设于所述密闭罩与所述真空罩内部。
进一步地，所述密闭室还设有一待测物送检器和一回收器。
进一步地，所述锥形光纤包括光纤本体和两个完全相同的端口；所述端口直径大于所述光纤本体直径。
进一步地，所述高Q光学微腔与所述光纤本体紧密接触。
进一步地，所述高Q光学微腔为一介质环。
进一步地，所述高Q光学微腔外部设有一层金属纳米粒子。
进一步地，金属纳米粒子为银纳米粒子。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1.本发明通过提供一种基于高Q光学微腔倏逝场的传感器，通过将高Q光学微腔与锥形光纤巧妙结合，利用高Q光学微腔改变锥形光纤的外部环境，从而改变锥形光纤内部的光路传播模式。在光学能量集中在高Q光学微腔同时，利用锥形纤维与高Q光学微腔之间的耦合，使得高Q光学微腔外部也产生强的倏逝场，在待检测分子对激发能量要求较高时，高Q光学微腔的回音壁共振模式也随之发生明显的移动，从而提高光学微腔的敏感性，实现对生物化学分子的超高灵敏检测。
2.本发明基于高Q光学微腔倏逝场的传感器在高Q光学微腔外部设置有一层金属纳米粒子，利用微高Q光学微腔的外部倏逝场作为金属纳米粒子LSPR(Localized SurfacePlasmon Resonance，表面等离子体共振)的激发电场，在金属纳米粒子的表面产生电磁场聚集，从而在待检测分子对激发能量要求较高时，高Q光学微腔的回音壁共振模式也可以发生明显的移动，从而提高光学微腔的敏感性，实现对生物化学分子的超高灵敏检测。
3.本发明基于高Q光学微腔倏逝场的传感器直接在高Q光学微腔表面制备金属纳米粒子与高Q光学微腔外的倏逝场发生作用，克服了传统方法中利用金属纳米粒子衬底来靠近高Q光学微腔时耦合距离太远，与容易损坏微腔和纳米粒子的缺点。
4.本发明基于高Q光学微腔倏逝场的传感器通过设置有密闭室和真空室，并且在密闭室上还设有待测物送检器和回收器，实现气体分子、液体环境中的分子、气体液体组分浓度的检测，可检测范围扩大，应用面更广。
附图说明
图1为本发明传感器的工作原理图；
图2为本发明传感器密闭室的结构示意图；
图3为本发明传感器真空室的结构示意图。
图中：1、密闭罩；2、真空罩；3、锥形光纤；31、光纤本体；32、端口；4、高Q光学微腔；5、金属纳米粒子。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
为解决现有技术中存在的在需要较高激发能量时传感器敏感度低的技术问题，本实施例提出了一种基于高Q光学微腔倏逝场的传感器，如图1所示，包括顺次设置的激光发射器和分束器，激光发射器发射出的光束通过分束器，分束器连接有一单模光纤，单模光纤将分束器接收的光束分为第一光束与第二光束，第一光束传输至密闭室，第二光束传输至真空室，密闭室连接有一第一光电探测器，第一光电探测器连接有一第一信号处理器，真空室连接有一第二光电探测器，第二光电探测器连接有一第二信号处理器，密闭室与真空室内分别设有一锥形光纤3和一高Q光学微腔4。密闭室还设有一待测物送检器和一回收器。
具体而言：
第一光电探测器与第一信号处理器之间电连接，第二光电探测器与第二信号处理器之间电连接。密闭室包括一密闭罩1，真空室包括一真空罩2，如图2和图3所示，锥形光纤3与高Q光学微腔4设于密闭罩1与真空罩2内部。锥形光纤3包括光纤本体31和两个完全相同的端口32，端口32直径大于光纤本体31直径。高Q光学微腔4与光纤本体31紧密接触。高Q光学微腔4为一介质环，本实施例优选为SiO2材料。高Q光学微腔4外部设有一层金属纳米粒子5，本实施例金属纳米粒子5优选为银纳米粒子。
分束器，将通过激光发射器发射出的光束分为两条光束，第一光束和第二光束，利用单模光纤将两条光束传输至下级单元，即将第一光束传输至密闭室，将第二光束传输至真空室。
密闭室，密闭罩1设于密闭室的外部，从而使得待测物与锥形光纤3和高Q光学微腔4充分接触，密闭室为基于倏逝场激发LSPR来检测待检物质的检测室。密闭室上还设有待测物送检器和回收器，实现气体分子、液体环境中的分子、气体液体组分浓度的检测，可检测范围扩大，应用面更广。
真空室，真空罩2设于真空室外部，为一个密封的真空环境，真空室是在检测化学气体时作为真空环境的基准对比信号的检测装置。密闭室与真空室内分别设有一锥形光纤3和一高Q光学微腔4。锥形光纤3和高Q光学微腔4共同构成本实施例传感器的敏感单元。
锥形光纤3，设于密闭罩1和真空罩2中，本实施例锥形光纤3材料为SiO2，利用光纤拉锥机拉制而成，本实施例锥形光纤3本体长度优选为26mm，作为最佳锥区。
高Q光学微腔4，设于密闭罩1和真空罩2中，本实施例高Q光学微腔4具体是利用氢氧焰烧制而成，材料优选为SiO2，形状为环形，直径为300μm-2cm。本实施例利用高Q光学微腔4外的倏逝场作为金属纳米粒子5的LSPR激发场，锥形光纤3源源不断地给高Q光学微腔4输送能量，从而克服金属损耗大的弊端。
金属纳米粒子5，本实施例具体为银纳米粒子，具体的，在本实施例高Q光学微腔4先蒸镀一层银纳米薄膜，然后通过经过Plasmon工艺技术将银纳米薄膜处理为银纳米粒子。本实施例直接在高Q光学微腔4表面制备金属纳米粒子5与高Q光学微腔4外的倏逝场发生作用，克服了传统方法中用金属纳米粒子衬底来靠近高Q光学微腔4，耦合距离太远，耦合程度弱的缺点，以及在次过程中微腔和纳米粒子容易受损被破坏的缺点。镀有银纳米粒子的高Q光学微腔4与锥形光纤3耦合。利用微高Q光学微腔4的外部倏逝场作为金属纳米粒子5的LSPR激发电场，在金属纳米粒子5的表面产生电磁场聚集，从而在待检测分子对激发能量要求较高时，高Q光学微腔4的回音壁共振模式发生明显的移动，从而提高光学微腔的敏感性，实现对生物化学分子的超高灵敏检测。
本实施例通过提供一种基于高Q光学微腔4倏逝场的传感器，通过将高Q光学微腔4与锥形光纤3巧妙结合，利用高Q光学微腔4改变锥形光纤3的外部环境，从而改变锥形光纤3内部的光路传播模式。在光学能量集中在高Q光学微腔4同时，利用锥形纤维与高Q光学微腔4之间的耦合，使得高Q光学微腔4外部也产生强的倏逝场，在待检测分子对激发能量要求较高时，高Q光学微腔4的回音壁共振模式也可以发生明显的移动，从而提高光学微腔的敏感性，实现对生物化学分子的超高灵敏检测。
实施例2：
为进一步阐述实施例1公开的一种基于高Q光学微腔4倏逝场的传感器，本实施例公开了一种基于高Q光学微腔4倏逝场的传感器的工作原理，具体如下：
本实施例是基于高Q光学微腔的倏逝场激发的金属纳米粒子5产生LSPR对于不同折射率介质共振峰位置不同的原理，通过对比待测物质和参考物质透射光谱中透射峰的位置、形状，来分析待检测物种类和浓度。
高Q光学微腔4在在高温条件下烧制，利用表面张力使得光纤凝结成小球，表面极其光滑，其Q值高达108。当光经过锥形光纤3的锥区，即本实施中的光纤本体31，在锥形光纤3外的倏逝波通过与高Q光学微腔4最靠近的区域发生耦合，倏逝波耦合到高Q光学微腔4中产生回音壁模式，高Q光学微腔4外产生的倏逝波激发了高Q光学微腔4表面金属纳米粒子5的LSPR，然后再通过高Q光学微腔4与锥形光纤3耦合的区域耦合到锥形光纤3腔体中继续传输至下级处理单元。
本实施例金属纳米粒子5优选为银纳米粒子，银纳米粒子的LSPR对于周围介质环境的变化非常敏感，因此将锥形光纤3与高Q光学微腔4设置于密闭室中，当被检测环境，即加入待测物前后真空室或密闭室内的折射率发生变化，导致LSPR共振频率发生明显变化，从而高Q光学微腔4耦合到锥形光纤3产生的透射光谱中的共振峰位置发生明显的移动。通过测量得出的共振峰与加入待测物前后密闭室或真空室内折射率之间的对应关系，从而确定出共振峰与加入待测物前后密闭室或真空室内折射率之间的关系曲线。当该传感器用于气体的检测时，通过对比真空室中透射光谱的共振峰，可以得到被检测气体的种类和浓度。
当待检测物为液体时，可以通过待测物送检器将要检测的液体缓慢的注入密闭室，然后打开激光发射器，关闭通入真空室的激光支路，即第二光束，调节激光光源至发出的激光使得金属纳米粒子5锥形光纤3与高Q光学微腔4产生谐振。此时，大量的光波能量以倏逝波的形式传播到高Q光学微腔4中，通过高Q光学微腔4外的倏逝波激发金属纳米粒子5的LSPR场。然后倏逝波通过高Q光学微腔4耦合到锥形光纤3的出射端，通过第一光电探测器将光信号转变成电信号传输到第一信号处理器进行处理得到透射光谱，将废液通过回收器收集，并用待测物送检器进行多次清洗，从而完成检测。
当待检测物为气体时，将待检测气体通过待测物送检器通入密闭室中，将通入密闭室和真空室的光路打开，重复上述步骤。最后通过第一光电探测器将第一光路中的光信号转换成电信号，输入到第一信号处理器中进行处理得到密闭室中的透射光谱，同时，通过第二光电探测器将第二光路中的光信号转换成电信号，输入到第二信号处理器中进行处理得到真空室中的透射光谱，然后，通过对比从密闭室和真空室中输出的透射光谱，将会得到共振峰变化情况，不同种类和不同浓度的待检气体，其透射峰明显不同，且与折射率一一对应，从而达到检测生物化学分子的目的。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于高Q光学微腔倏逝场的传感器，其特征在于，包括：顺次设置的激光发射器和分束器；
所述激光发射器发射出的光束通过所述分束器；
所述分束器连接有一单模光纤，所述单模光纤将所述分束器接收的光束分为第一光束与第二光束；
所述第一光束传输至所述密闭室；所述第二光束传输至所述真空室；
所述密闭室连接有一第一光电探测器，所述第一光电探测器连接有一第一信号处理器；
所述真空室连接有一第二光电探测器，所述第二光电探测器连接有一第二信号处理器；
所述密闭室与所述真空室内分别设有一锥形光纤和一高Q光学微腔。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述密闭室包括一密闭罩；所述真空室包括一真空罩；所述锥形光纤与所述高Q光学微腔设于所述密闭罩与所述真空罩内。
3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述密闭室还设有一待测物送检器和一回收器。
4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述锥形光纤包括光纤本体和两个完全相同的端口；所述端口直径大于所述光纤本体直径。
5.根据权利要求4所述的传感器，其特征在于，所述高Q光学微腔与所述光纤本体紧密接触。
6.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述高Q光学微腔为一介质环。
7.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述高Q光学微腔外部设有一层金属纳米粒子。
8.根据权利要求7所述的传感器，其特征在于，所述金属纳米粒子为银纳米粒子。
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