CN102279007A - 光纤耦合波导光栅传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

光纤耦合波导光栅传感器及其制备方法，属于纳米生物传感器器件技术领域。光纤耦合波导光栅传感器，其在光纤的端面处镀有介质波导层，在介质波导层上制有光刻胶光栅，介质波导层与光刻胶光栅形成波导光栅结构位于光纤端面上。通过利用紫外激光干涉光刻方法在光纤端面的波导层上制备光栅纳米光学结构，获得一种新型光纤耦合波导光栅传感器器件。该传感器件为探针式光纤传感器件，可实现远程、实时传感检测。该传感器件具有体积小、携带方便、抗干扰能力强等诸多优势，可适用于检测空间狭小，被检测物难以接近、检测环境高温高压、有毒有害等极端情况下的传感检测，可以实现对不透明样品的传感检测。

Description

光纤耦合波导光栅传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于纳米生物传感器器件技术领域，通过将波导光栅纳米结构制备到光纤端面，从而得到一种新型光纤耦合波导光栅传感器件。
背景技术
波导光栅结构是一种具有窄带光学响应特性的光学器件，其窄带光学共振响应表现为透射光谱中的谷或反射光谱中的共振峰。当光栅结构参数改变时，共振峰表现出良好的调谐特性，从而使得基于该结构的传感器能够灵活地适应于不同领域的要求。波导光栅结构由光栅层，电介质波导层，基底层三部分构成。波导层一般由高折射率(大于基底及环境的折射率)材料构成，光栅层可以是电介质材料，也可以是金属。波导光栅结构的窄带消光原理如下：当一束白光光束入射到该结构时，一部分光将直接透射，一部分光被反射，另一部分光将被光栅衍射。衍射光中波长满足一定条件的光波在波导的上下表面多次反射从而限制在波导中，该部分光波在波导层的下表面将发生全反射，在波导层的上表面由于光栅的存在将再次被衍射，沿波导光栅结构反射光的方向出射并与该结构的直接反射光干涉相长，从而在波导光栅结构的反射光谱中将观察到一个尖峰，透射光谱中将观察到一个谷，这种现象称为波导光栅结构的共振现象。一般来说共振峰的半高全宽很窄，典型值为0.25nm～3nm，因此波导光栅结构被广泛用于窄带滤波器件的开发；另外波导光栅结构的共振波长对光栅上表面外的媒质折射率变化非常敏感，这一特性使得波导光栅结构可用于光开关、生物传感器等器件的开发。
发明内容
传统的生物传感器体积庞大，生产成本高，难以实现远程、实时传感检测，难以适用于空间狭小、高温高压、有毒有害等环境下的检测。针对上述问题，为实现传感器件的小型化，实现远程、实时传感检测，并进一步降低传感器件对检测环境的要求，本发明公开了一种光纤耦合波导光栅传感器设计方案及其制备方法，所采用的技术方案如下：
光纤耦合波导光栅传感器，其在光纤的端面处镀有介质波导层，在介质波导层上制有光刻胶光栅，介质波导层与光刻胶光栅形成波导光栅结构位于光纤端面上。
所述的介质波导层的折射率大于所述光纤的折射率，其制备材料包括ITO、ZnO、Ti2O5。
所述的光刻胶为正胶或负胶。
光纤耦合波导光栅传感器的制备方法，其步骤包括：
a在光纤的端面制备介质波导层；
b利用旋涂法或吹涂法制备光刻胶层；
(注：旋涂法是旋转涂抹法的简称，是一种薄膜制备方法，主要有设备为匀胶机，旋涂法包括：滴胶，高速旋转，挥发成膜三个步骤，通过调节旋转的时间、转速、以及所用溶液的浓度、粘度和滴液量来控制成膜的厚度。)
c利用激光对光刻胶进行干涉光刻，实现光刻胶光栅的制备。
光纤耦合波导光栅传感器的制备方法中，所述的介质波导层的制备方法包括磁控溅射法、激光脉冲沉积法，化学气相沉积法。
光纤耦合波导光栅传感器的制备方法中，所述的吹涂法是指将抛光后的光纤端面浸入光刻胶中，取出后随即用气流对光纤端面附着的光刻胶层进行吹涂，然后将所制备光纤放在加热板上加热。
光纤耦合波导光栅传感器的制备方法，利用紫外激光对光刻胶进行干涉光刻中，所用的激光为波长小于400nm的激光。
在用紫外激光干涉光刻法制备光刻胶光栅过程中，若将光纤绕其法线旋转90度，再进行第二次曝光，即可进一步实现二维光刻胶光栅的制备。
所制备的一维或二维光刻胶光栅周期为200nm～2000nm。
本发明可以取得如下有益效果，该传感器件为探针式光纤传感器件，可实现远程、实时传感检测。该传感器件具有体积小、携带方便、抗干扰能力强等诸多优势，可适用于检测空间狭小，被检测物难以接近、检测环境高温高压、有毒有害等极端情况下的传感检测。
另外，本发明所提出的光纤耦合波导光栅传感器件的信号光为反射光，从而可以实现对不透明样品的传感检测。
附图说明
图1、光纤耦合波导光栅传感器件结构示意图。
图2、光纤端面上波导光栅结构制备过程示意图。
图3、紫外激光干涉光刻法制备光栅结构的光路图。
图4、光纤端面上紫外激光干涉光刻方法制备的光纤耦合波导光栅结构的光刻胶光栅扫描电镜图。
图5、光纤耦合波导光栅结构的反射光谱。图中虚线为光纤端面上无结构时的反射光谱，实线为光纤端面上制备上波导光栅结构后的反射光谱。
图6、本发明的实物展示图。
图中1、355nm固体激光器，2、介质膜全反镜，3、激光扩束透镜组，4、分束镜，5、光纤束。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
光纤耦合波导光栅传感器的结构设计如图1所示，其特征在于：在光纤的端面处镀有介质波导层，在介质波导层上制有光刻胶光栅，介质波导层与光刻胶光栅形成波导光栅结构位于光纤端面上。
所述的介质波导层的折射率大于所述光纤的折射率，其制备材料包括ITO、ZnO、Ti2O5。
所述的光刻胶为正胶或负胶。
上述的光纤耦合波导光栅传感器的制备方法，包括如下步骤(如图2所示)：
1)选取直径为400μm的光纤，并将端面进行抛光。抛光工作分为以下四个步骤：(1)用型号为800型的砂纸对光纤端面进行研磨，初步获得较平整的光纤端面；(2)用型号为2400型的砂纸对光纤端面进行研磨，进一步提高光纤端面的平整性；(3)用型号为4000型的砂纸对光纤端面进行抛光；第四步，用颗粒直径大约在300nm的金刚砂粉末对光纤端面进行最后抛光。
2)利用磁控溅射法在光纤端面上溅射厚度为200nm的ZnO(折射率大约为1.96)介质层。
3)利用气流吹涂法在光纤端面上制备光刻胶层。具体过程为：将抛光后的光纤端面浸入S1805光刻胶中，取出后随即用气流对光纤端面附着的光刻胶层进行吹涂，通过气流吹涂实现光纤端面上厚度均匀的光刻胶层的制备。然后将所制备样品放在加热板上在170℃下加热1分钟。除用吹涂法外，本发明中的光刻胶层亦可用旋涂法进行制备。
4)将制备的端面涂有光刻胶的光纤样品置于如图3所示的干涉光路中。光路中采用波长为355nm固体激光器1作为紫外激光干涉光刻的光源，激光输出首先经过激光扩束透镜组3扩束，然后经分束镜4分成等光强的两束，再由两个介质膜全反镜以半夹角θ合成在涂有光刻胶的光纤束5的前端面，半夹角θ的大小可通过调节介质膜全反镜2来控制，经过曝光显影后即可在光纤端面上刻蚀出光刻胶光栅结构。
该实例中θ＝24.7°，制备得到的光栅周期为425nm，所制备的光纤端面上的波导光栅结构的电子扫描图像如图4所示。相应的光纤耦合波导光栅传感器件的反射光谱测试结果如图5所示，从图5所示的测试结果可以看到光纤耦合波导光栅传感器件的反射光谱中观测到了一个窄带反射峰，表明器件的制备获得了良好的光谱响应性能。
图6为光纤耦合波导光栅传感器件的实物展示图，可以清楚的反映本发明的结构。

Claims (9)

1.光纤耦合波导光栅传感器，其特征在于：在光纤的端面处镀有介质波导层，在介质波导层上制有光刻胶光栅，介质波导层与光刻胶光栅形成波导光栅结构位于光纤端面上。
2.根据权利要求1所述的光纤耦合波导光栅传感器，其特征在于：所述的介质波导层的折射率大于所述光纤的折射率，其制备材料包括ITO、ZnO、Ti2O5。
3.根据权利要求1所述的光纤耦合波导光栅传感器，其特征在于：所述的光刻胶为正胶或负胶。
4.根据权利要求1所述的光纤耦合波导光栅传感器的制备方法，其特征在于：
a在光纤的端面制备介质波导层；
b利用旋涂法或吹涂法制备光刻胶层；
c利用激光对光刻胶进行干涉光刻，实现光刻胶光栅的制备。
5.根据权利要求4所述的光纤耦合波导光栅传感器的制备方法，其特征在于：所述的介质波导层的制备方法包括磁控溅射法、激光脉冲沉积法，化学气相沉积法。
6.根据权利要求4所述的光纤耦合波导光栅传感器的制备方法，其特征在于：所述的吹涂法是指将抛光后的光纤端面浸入光刻胶中，取出后随即用气流对光纤端面附着的光刻胶层进行吹涂，然后将所制备光纤放在加热板上加热。
7.根据权利要求4所述的光纤耦合波导光栅传感器的制备方法，其特征在于：利用紫外激光对光刻胶进行干涉光刻中，所用的激光为波长小于400nm的激光。
8.根据权利要求4所述的光纤耦合波导光栅传感器制备方法，其特征在于：在用紫外激光干涉光刻法制备光刻胶光栅过程中，将光纤绕其法线旋转90度，再进行第二次曝光，即可进一步实现二维光刻胶光栅的制备。
9.根据权利要求7所述的光纤耦合波导光栅传感器的制备方法，其特征在于：所制备的一维或二维光刻胶光栅周期为200nm～2000nm。
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