CN111077112B - 基于表面等离子体的回音壁模式球状光学微腔折射率传感器及测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于表面等离子体的回音壁模式球状光学微腔折射率传感器及测量装置，充分利用回音壁模式光学微腔的高品质因子特性，通过在光学微腔表面镀覆金层以激发表面等离子体，提高光学微腔表面能量和折射率传感灵敏度，实现外界介质折射率的测量。本发明的光学微腔折射率传感器包括微纳光纤、回音壁模式球状光学微腔，所述微纳光纤与所述回音壁模式球状光学微腔接触耦合；所述回音壁模式球状光学微腔表面上镀覆月牙形金层，以激发表面等离子体而增强球状光学微腔对外界介质折射率变化的敏感程度。本发明具有体积小、制备方法简单、易于集成等优点，可应用于化学或生物传感等领域。
Description
技术领域
本发明涉及光纤器件技术领域，具体涉及一种基于表面等离子体的回音壁模式球状光学微腔折射率传感器及测量装置。
背景技术
回音壁模式光学微腔是一种基于全内反射效应将光场约束在微米级空间区域内的光学元件，具有能量密度大、品质因子高、空间尺寸小的优点，其模场主要分布在光学微腔内部，但有一部分能量以倏逝场的形式存在于光学微腔外部。光学微腔的倏逝场可以感知外界介质折射率的变化，进而转化成传输谱线的变化，实现外界折射率的传感测量。然而，由于光学微腔与周围介质之间存在较大的折射率差，光学微腔的模场大部分集中在腔内，导致谐振模式对外界介质折射率变化的响应较弱。为了增强光学微腔折射率探测的灵敏度，一方面可以在光学微腔外表面覆盖一层对被测物质敏感的材料，另一方面也可以通过采用空芯的微泡腔增大倏逝场渗透到外界的比例，增强与外界介质的相互作用。然而，镀覆敏感材料的传感器只对特定被测物的折射率变化敏感，不具有普适性，而微泡腔制备方法复杂，并且极易破碎，实用性较差。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于表面等离子体的回音壁模式球状光学微腔折射率传感器及测量装置，充分利用回音壁模式光学微腔的高品质因子特性，通过在光学微腔表面镀覆金层以激发表面等离子体，提高光学微腔表面能量和折射率传感灵敏度，实现外界介质折射率的测量。
本发明采用的技术方案为：
1.一种基于表面等离子体的回音壁模式球状光学微腔折射率传感器，其特征在于，包括微纳光纤、回音壁模式球状光学微腔，所述微纳光纤与所述回音壁模式球状光学微腔接触耦合；所述回音壁模式球状光学微腔表面上镀覆月牙形金层，以激发表面等离子体而增强球状光学微腔对外界介质折射率变化的敏感程度。
2.所述微纳光纤通过纳米级精密位移台与所述球状光学微腔接触耦合。
3.利用软化拉伸法将单模光纤通过拉锥机制得轮廓外形满足绝热条件的低损耗双锥形微纳光纤。
4.利用加热熔融法将单模光纤通过光纤熔接机制得回音壁模式球状光学微腔。
5.利用真空热蒸镀技术在回音壁模式球状光学微腔表面镀覆月牙形金层。
6.所述月牙形金层覆盖1/2的球状光学微腔外表面，金层厚度在中心位置处最大，向周边均匀减小并在边缘处为0。
7.所述中心位置的金层厚度约为10～200nm。
8.一种基于表面等离子体的回音壁模式球状光学微腔折射率传感器的测量装置，其特征在于，包括宽谱光源、光谱分析仪、输入/输出单模光纤以及基于表面等离子体的回音壁模式球状光学微腔折射率传感器，所述基于表面等离子体的回音壁模式球状光学微腔折射率传感器的微纳光纤的两端分别通过输入单模光纤连接宽谱光源、通过输出单模光纤连接光谱分析仪；宽谱光源输出的光经微纳光纤耦合进球状光学微腔中，并在镀覆金层区域激发出表面等离子体，之后重新耦合回微纳光纤并经输出单模光纤输入至光谱分析仪中，得到包含谐振信息的传输光谱，通过测量谐振峰谐振波长的变化即可实现外界介质折射率的测量。
9.所述微纳光纤的两端与输入单模光纤和输出单模光纤熔融连接。
10.所述输入单模光纤和输出单模光纤分别与宽谱光源、光谱分析仪通过光纤适配器进行连接。
本发明的技术效果：
本发明提供一种基于表面等离子体的回音壁模式球状光学微腔折射率传感器及测量装置，充分利用回音壁模式光学微腔的高品质因子特性，通过在光学微腔表面镀覆金层以激发表面等离子体，提高光学微腔表面能量和折射率传感灵敏度，实现外界介质折射率的测量。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明通过在回音壁模式光学微腔表面镀覆金层以激发表面等离子体，提高光学微腔外表面能量，增强对外界介质折射率变化的敏感程度，提升折射率灵敏度。
(2)本发明针对一般气体或液体介质的折射率变化均具有敏感性，使用范围广泛，此外，本发明所提出的传感器结构鲁棒性高，实用性好。
附图说明
图1为本发明基于表面等离子体的回音壁模式球状光学微腔折射率传感器结构示意图；
图2为本发明基于表面等离子体的回音壁模式球状光学微腔折射率传感器的测量装置示意图；
附图标记列示如下：1-宽谱光源，2-输入单模光纤，3-微纳光纤，4-回音壁模式球状光学微腔，5-月牙形金层，6-输出单模光纤，7-光谱分析仪。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，是本发明基于表面等离子体的回音壁模式球状光学微腔折射率传感器结构示意图。一种基于表面等离子体的回音壁模式球状光学微腔折射率传感器，包括微纳光纤3、回音壁模式球状光学微腔4，微纳光纤3与回音壁模式球状光学微腔4接触耦合；回音壁模式球状光学微腔4表面上镀覆月牙形金层5，以激发表面等离子体而增强球状光学微腔对外界介质折射率变化的敏感程度。
所述的微纳光纤3为锥角较小的低损耗微纳光纤，由单模光纤2通过拉锥机热拉伸制得。通过加热所述单模光纤2中部使其软化，再拉伸单模光纤2两端使软化部分逐渐变细长制成微纳光纤3。利用软化拉伸法将单模光纤通过拉锥机制得轮廓外形满足绝热条件的低损耗双锥形微纳光纤。所述微纳光纤3通过纳米级精密位移台与所述球状光学微腔4接触耦合，利用高精度三维位移台控制微纳光纤3和球状光学微腔4的相对位置，使二者接触耦合。
所述的回音壁模式球状光学微腔4具有良好的回音壁模式特征，具有高品质因子与小模式体积，利用加热熔融法将单模光纤通过光纤熔接机制得回音壁模式球状光学微腔。
所述的月牙形金层5通过真空热蒸镀技术镀覆在回音壁模式球状光学微腔4表面，月牙形金层覆盖1/2的球状光学微腔外表面，金层厚度在中心位置处最大，向周边均匀减小并在边缘处为0。镀覆时需将球状光学微腔4固定，并控制中心位置最大镀膜厚度在10至200nm之间。
如图2所示，为本发明基于表面等离子体的回音壁模式球状光学微腔折射率传感器的测量装置示意图。一种基于表面等离子体的回音壁模式球状光学微腔折射率传感器的测量装置，包括宽谱光源1、光谱分析仪7、输入单模光纤2、输出单模光纤6以及基于表面等离子体的回音壁模式球状光学微腔折射率传感器，所述基于表面等离子体的回音壁模式球状光学微腔折射率传感器的微纳光纤的两端分别通过输入单模光纤连接宽谱光源、通过输出单模光纤连接光谱分析仪；宽谱光源输出的光经微纳光纤耦合进球状光学微腔中，并在镀覆金层区域激发出表面等离子体，之后重新耦合回微纳光纤并经输出单模光纤输入至光谱分析仪中，得到包含谐振信息的传输光谱，通过测量谐振峰谐振波长的变化即可实现外界介质折射率的测量。
其中，微纳光纤的两端与输入单模光纤和输出单模光纤熔融连接。输入单模光纤和输出单模光纤分别利用光纤适配器连接至宽谱光源和光谱分析仪。
光从宽谱光源1输出后经输入单模光纤2进入微纳光纤3，在微纳光纤3与球状光学微腔4接触位置耦合进球状光学微腔4中，在球状光学微腔4内部绕行并在镀覆金层5处激发表面等离子体，之后耦合回微纳光纤3并经输出单模光纤6传输到光谱分析仪7中。球状光学微腔4外部的能量可以感知周围介质折射率的变化，当介质折射率改变时，球状光学微腔4谐振模式的谐振波长发生移动，可以通过测量光谱分析仪7中模式谐振波长的变化量，得到外界介质的折射率。当球状光学微腔4内的光场满足相位匹配条件时，会在光谱分析仪7中得到凹陷的谐振峰，谐振峰的谐振波长会随球状光学微腔4外部介质折射率发生漂移，据此可以通过分析光谱分析仪7中谐振波长的变化测量外界介质折射率。
基于表面等离子体的回音壁模式球状光学微腔折射率传感器的工作方法主要是：
本发明提供一种基于表面等离子体的回音壁模式球状光学微腔折射率传感器，按照以下方法实现外界介质折射率的传感测量：
(1)、利用加热熔融法将单模光纤通过光纤熔接机制得球状光学微腔；
(2)、利用热蒸镀技术在球状光学微腔表面镀覆月牙形金层；
(3)、微纳光纤两端熔接输入和输出单模光纤并分别连接宽谱光源和光谱分析仪；
(4)、改变镀金球状光学微腔周围介质的折射率，并记录谐振波长的移动，计算折射率灵敏度；
利用回音壁模式球状光学微腔谐振波长受外界介质折射率影响的特性，并利用表面等离子体增强光学微腔外表面的能量，通过测量传输光谱中谐振波长漂移量得到外界介质的折射率。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (9)
1.一种基于表面等离子体的回音壁模式球状光学微腔折射率传感器，其特征在于，包括微纳光纤、回音壁模式球状光学微腔，所述微纳光纤与所述回音壁模式球状光学微腔接触耦合；所述回音壁模式球状光学微腔表面上镀覆月牙形金层，以激发表面等离子体而增强球状光学微腔对外界介质折射率变化的敏感程度；
所述月牙形金层覆盖1/2的球状光学微腔外表面，金层厚度在中心位置处最大，向周边均匀减小并在边缘处为0。
2.根据权利要求1所述的基于表面等离子体的回音壁模式球状光学微腔折射率传感器，其特征在于，所述微纳光纤通过纳米级精密位移台与所述球状光学微腔接触耦合。
3.根据权利要求1所述的基于表面等离子体的回音壁模式球状光学微腔折射率传感器，其特征在于，利用软化拉伸法将单模光纤通过拉锥机制得轮廓外形满足绝热条件的低损耗双锥形微纳光纤。
4.根据权利要求1所述的基于表面等离子体的回音壁模式球状光学微腔折射率传感器，其特征在于，利用加热熔融法将单模光纤通过光纤熔接机制得回音壁模式球状光学微腔。
5.根据权利要求1所述的基于表面等离子体的回音壁模式球状光学微腔折射率传感器，其特征在于，利用真空热蒸镀技术在回音壁模式球状光学微腔表面镀覆月牙形金层。
6.根据权利要求1所述的基于表面等离子体的回音壁模式球状光学微腔折射率传感器，其特征在于，所述中心位置的金层厚度为10～200nm。
7.一种基于表面等离子体的回音壁模式球状光学微腔折射率传感器的测量装置，其特征在于，包括宽谱光源、光谱分析仪、输入/输出单模光纤以及如权利要求1-6之一所述的基于表面等离子体的回音壁模式球状光学微腔折射率传感器，所述基于表面等离子体的回音壁模式球状光学微腔折射率传感器的微纳光纤的两端分别通过输入单模光纤连接宽谱光源、通过输出单模光纤连接光谱分析仪；宽谱光源输出的光经微纳光纤耦合进球状光学微腔中，并在镀覆金层区域激发出表面等离子体，之后重新耦合回微纳光纤并经输出单模光纤输入至光谱分析仪中，得到包含谐振信息的传输光谱，通过测量谐振峰谐振波长的变化即可实现外界介质折射率的测量。
8.根据权利要求7所述的基于表面等离子体的回音壁模式球状光学微腔折射率传感器的测量装置，其特征在于，所述微纳光纤的两端与输入单模光纤和输出单模光纤熔融连接。
9.根据权利要求7所述的基于表面等离子体的回音壁模式球状光学微腔折射率传感器的测量装置，所述输入单模光纤和输出单模光纤分别与宽谱光源、光谱分析仪通过光纤适配器进行连接。
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