CN103063607B - 一种基于超材料吸收器的光学折射率传感器 - Google Patents

一种基于超材料吸收器的光学折射率传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于超材料吸收器的光学折射率传感器。该超材料吸收器由纳米尺度的银多孔薄膜、PVA薄膜和银镜组成。当白光入射到吸收器表面时，会在上下表面干涉，由于特定波长的光被吸收器吸收，干涉条纹为非完全光谱。这种超材料吸收器可以用来实现对液体的折射率的裸眼检测，将被测液体放在吸收器表面，折射率的变化会引起干涉条纹的颜色以及宽度的变化。这种基于超材料吸收器的光学折射率传感器结构简单、制备方便，为光学折射率传感器的设计和应用提出了新的方法。

Description

一种基于超材料吸收器的光学折射率传感器
技术领域本发明涉及一种光学折射率传感器，特别是基于超材料吸收器的可以实现裸眼检测的光学折射率传感器。
背景技术超材料(Metamaterial)是一种人工结构材料，通过设计超材料的基本单元结构，使其对电场和磁场产生相应的谐振，原理上可以实现任意大小的介电常数和磁导率。左手材料(Left-handed Metamaterials)的实验证实，以及电磁隐身斗篷(Cloak)的制备分别被《Science》杂志评为2003年和2006年十大科技进展之一。目前的研究表明，合理的设计超材料基本单元的几何形状以及结构参数，可以实现对于入射到超材料表面的电磁波既不反射也不透射，达到电磁波完全吸收的科学标准。
超材料由于其灵活的设计方法，已经被广泛应用到传感器领域。其基本原理是背景介质的折射率不同，会引起超材料谐振频率的偏移。根据这种设计思想，研究者们已经在微波、THz以及红外等频段实现了基于超材料的传感器。由于可见光波段的超材料很难用自上而下的物理刻蚀方法制备，目前尚未有可见光波段的超材料传感器。
发明内容本发明的目的是基于超材料吸收器的设计思想，提出一种用非完全光谱来实现可用于裸眼检测的光学折射率传感器。该超材料吸收器由纳米尺度的银多孔薄膜、PVA薄膜和银镜组成。当白光入射到吸收器表面时，会在上下表面干涉，由于特定波长的光被吸收器吸收，干涉条纹为非完全光谱。这种超材料吸收器可以用来实现对液体的折射率的裸眼检测，将被测液体放在吸收器表面，折射率的变化会引起干涉条纹的颜色以及宽度的变化。
附图说明
图1可见光超材料吸收传感器的结构示意图。
图2(a)可见光超材料吸收器的制备流程，(b)实际制备的可见光超材料吸收传感器的照片
图3(a)多孔薄膜A-1的SEM图，(b)可见光超材料吸收传感器B-1的反射和吸收曲线。
图4(a)多孔薄膜A-2的SEM图，(b)可见光超材料吸收传感器B-2的反射和吸收曲线。
图5基于超材料吸收器的光学折射率传感器的裸眼检查图：(a)空气界面，(b)折射率为1.31的液体，(a))折射率为1.34的液体，(a))折射率为1.44的液体。
具体实施方式
1.多孔银膜的制备：用膜转移法将聚苯乙烯小球自组装涂覆在ITO玻璃基板上。然后，用电沉积法将银沉积在ITO玻璃上，在这一步中，孔状结构的半径以及银膜厚度可以通过控制沉积时间来调节。沉积了银以后，用CH2Cl2溶液溶解聚苯乙烯小球，则得到多孔的银膜。
2.超材料吸收器的制备：在另一片ITO玻璃上沉积一定厚度的银做成银镜，再用提拉法在银镜上面涂覆纳米尺度的PVA薄膜。PVA薄膜的厚度可以通过控制PVA浓度以及提拉速度来实现。将上述的多孔银膜，PVA薄膜和银镜面对面粘贴在一起，就得到了三层结构的超材料吸波传感器，其中PVA薄膜是作为绝缘隔离层。
3.折射率传感器的实现：将不同折射率的溶液滴在超材料吸收传感器表面，干涉条纹的颜色和宽度会随着折射率的不同产生相应的变化，可以直接实现裸眼检测。
本发明的实现过程和材料性能由实施例和附图说明：
实施例一：
用膜转移法将直径为200nm的聚苯乙烯小球自组装涂覆在ITO玻璃基板上。然后用电沉积将银沉积在ITO玻璃上，控制沉积时间保证银膜厚度为20nm。沉积了银以后，用CH2Cl2溶液溶解聚苯乙烯小球，则得到多孔的银膜A-1。在另一片ITO玻璃上沉积厚度为40nm的银做成银镜，再用提拉法在银镜上面涂覆20nm厚的PVA薄膜。将上述的多孔银膜，PVA薄膜和银镜面对面粘贴在一起，就得到了三层结构的超材料吸波传感器B-1。超材料吸收传感器B-1的反射和吸收曲线如图3(b)所示。图中可以看出，在600nm附近，实验得到的反射率最小值为0.247，吸收率最大值为75.3％。从图5中看出，将不同折射率的溶液滴在超材料吸收器B-1表面，可以观察到干涉条纹的颜色和宽度会随着折射率的不同产生相应的变化。
实施例二：
用膜转移法将直径为130nm的聚苯乙烯小球自组装涂覆在ITO玻璃基板上。然后用电沉积将银沉积在ITO玻璃上，控制沉积时间保证银膜厚度为30nm。沉积了银以后，用CH2Cl2溶液溶解聚苯乙烯小球，则得到多孔的银膜A-2。在另一片ITO玻璃上沉积厚度为40nm的银做成银镜，再用提拉法在银镜上面涂覆20nm厚的PVA薄膜。将上述的多孔银膜，PVA薄膜和银镜面对面粘贴在一起，就得到了三层结构的超材料吸波传感器B-2。超材料吸收传感器B-2的反射和吸收曲线如图4(b)所示。图中可以看出，在520nm附近，实验得到的反射率最小值为0.365，吸收率最大值为63.5％。
综上所述，本发明中借助于可见光波段的超材料吸收器得到不完全的干涉光谱，以此来实现光学折射率传感器。对于不同折射率的溶液，可以不借助于仪器，直接观察到干涉条纹的颜色和宽度的变化，即实现裸眼检查。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明权利要求及发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利覆盖的范围内。

Claims (1)

1.一种基于超材料吸收器的光学折射率传感器，该折射率传感器由纳米尺度的银多孔薄膜、PVA薄膜和银镜组成，其主要特征是厚度为10～60nm的PVA绝缘薄膜两边分别为银膜，一面为纳米厚度的多孔银膜，孔半径为50～200nm，晶格常数为100～600nm，多孔银膜的厚度为10～60nm，另一面为20～100nm厚度的银膜；通过改变多孔银膜的孔半径、晶格常数以及厚度，使其对可见光波产生极高的吸收率，传感器可工作于390～780nm的波长范围内，对液体的裸视折射率的探测范围为1.0～1.6，其制备过程包括：
(1)将直径为200nm的聚苯乙烯小球自组装涂覆在ITO玻璃基板上，然后用电沉积将银沉积在ITO玻璃上，控制沉积时间保证银膜厚度为20nm；用CH2Cl2溶液溶解聚苯乙烯小球，得到多孔银膜A-1，在另一片ITO玻璃上沉积厚度为40nm的银做成银镜，再用提拉法在银镜上面涂覆20nm厚的PVA薄膜，将上述的多孔银膜，PVA薄膜和银镜面对面粘贴在一起，就得到了三层结构的超材料吸波传感器B-1；
(2)将直径为130nm的聚苯乙烯小球自组装涂覆在ITO玻璃基板上，然后用电沉积将银沉积在ITO玻璃上，控制沉积时间保证银膜厚度为30nm，用CH2Cl2溶液溶解聚苯乙烯小球，得到多孔银膜A-2；在另一片ITO玻璃上沉积厚度为40nm的银做成银镜，再用提拉法在银镜上面涂覆20nm厚的PVA薄膜，将上述的多孔银膜，PVA薄膜和银镜面对面粘贴在一起，就得到了三层结构的超材料吸波传感器B-2。
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