CN104792730B - 一种基于光波导激光结构的血糖浓度探测器及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光波导激光结构的血糖浓度探测器及其制备方法，采用能量为6～10MeV的氧离子轰击晶体表面，制作厚度为3～6微米的光波导结构，氧离子的剂量为2～6×10¹⁴ions/cm²；在光波导表面设置微流通道，使微流通道内的液体与光波导表面接触；对光波导的两个端面进行抛光、镀膜，利用利用泵浦激光对钕离子掺杂钇铝石榴石晶体进行泵浦，实现1064nm激光输出，根据激光输出功率的变化判断血糖浓度，且结构小，利于集成，稳定性高，灵敏度高。

Description

一种基于光波导激光结构的血糖浓度探测器及其制备方法与 应用

技术领域

本发明涉及一种基于光波导激光结构的血糖浓度探测器及其制备方法，属于光电子器件制备技术领域。

背景技术

微流控芯片技术可以对生物、化学、医学分析的样品，进行自动的制备、反应、分离、检测等操作，并且，完成所有操作的基本元件，被集成在一块微米尺度的芯片上。因此，基于该技术的器件，具有尺寸小、集成度高、稳定性强等特点。该技术在生物、化学、医学等领域有巨大的应用潜力，已将成为一个跨越生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科的交叉研究课题。微流控芯片功能的实现，取决于使用微加工技术制备的各种控制、检测元件。例如对血液中血糖含量的检测，需要对待测样品进行分离，使用微型传感器对样品进行测试并输出测试结果。本发明涉及一种新型的血糖含量微型传感器。

光波导激光是集成光学中的基本元件。它以增益介质为基质，使用各种微加工技术，在增益介质中制备光波导结构，利用光波导结构作为激光谐振腔的一部分，在适当的泵浦条件下，可以实现激光输出。与传统的激光器相比，光波导激光具有激光阈值低、斜率效率高等特点，此外光波导激光输出能量对光损耗极为敏感。以基于钕离子掺杂钇铝石榴石晶体(Nd-doped yttrium aluminum garnet，简写为Nd:YAG)的光波导激光结构为例，该光波导激光可以产生1064nm波长的激光输出，光波导内微小的光损耗变化可以导致输出激光强度发生剧烈变化，而血糖中的主要成分葡萄糖对波长为1064nm的光具有相对较强的吸收。因此，可以利用波导激光结构对血糖中葡萄糖含量进行测量。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于光波导激光结构的血糖浓度探测器及其制备方法，可以应用于微流控芯片相关领域。

本发明的技术方案如下：

一种基于光波导激光结构的血糖浓度探测器，包括钕掺杂钇铝石榴石晶体，所述钕掺杂钇铝石榴石晶体的横向平面上设置有由氧离子轰击形成的光波导平面，所述光波导平面上方设置有微流结构，所述微流结构底部设置有与光波导平面上表面相通的微流通道；钕掺杂钇铝石榴石晶体的两个竖向端面与光波导平面相垂直，并且两个竖向端面分别镀有入射光学薄膜和出射光学薄膜。

根据本发明优选的，所述光波导平面的厚度为3～7微米。

根据本发明优选的，所述微流通道与光波导平面上表面相通的面积大于20μm²。

上述基于光波导激光结构的血糖浓度探测器的制备方法，包括以下步骤：

1)对钕掺杂钇铝石榴石晶体的横向平面进行抛光，并对抛光后的样品进行清洗；

2)用氧离子轰击步骤1中钕掺杂钇铝石榴石晶体抛光清洗后的平面，在钕掺杂钇铝石榴石晶体表面形成光波导平面；

3)将钕掺杂钇铝石榴石晶体垂直于光波导平面的两个竖向端面进行抛光处理，并分别在两个竖向端面上镀入射光学薄膜和出射光学薄膜，分别作为光的入射端面和出射端面，光学薄膜与光波导平面构成激光谐振腔，形成钕掺杂钇铝石榴石晶体光波导激光结构；

4)在光波导平面上方设置微流结构，微流结构底部设置有与光波导平面上表面相通的若干平行微流通道。

根据本发明优选的，步骤2)中氧离子的能量为6～10MeV，剂量为2～6×1014ions/cm2，氧离子轰击形成的光波导平面的厚度为3～7微米。

根据本发明优选的，在步骤3)中入射光学薄膜对波长为810nm的光高透，对波长为1064nm的光高反；出射光学薄膜对波长为810nm的光高反，对波长为1064nm的光反射率为50％。

根据本发明优选的，步骤4)中微流通道与光波导平面上表面相通的面积大于20μm²。

上述基于光波导激光结构的血糖浓度探测器的应用，用于检测血糖浓度，血液通过微流通道与光波导平面相接触；利用将泵浦光对激光谐振腔进行泵浦，输出波长为1064nm红外激光，根据输出激光强度变化，判断血糖浓度变化。例如：激光强度减弱，说明血糖浓度增加；激光强度升高，说明血糖浓度降低。

本发明的有益效果：

本发明的结构小，利于集成，稳定性高，灵敏度高。

附图说明

图1为本发明基于光波导激光结构的血糖浓度探测器制备方法的工艺流程图；

图2为基于光波导激光结构的血糖浓度探测器的结构示意图；

图中：1.微流通道，2.光波导平面，3.钇铝石榴石晶体，4.入射光学薄膜，5.出射光学薄膜。

具体实施方式

实施例1

一种基于光波导激光结构的血糖浓度探测器，结构如图2所示，包括钕掺杂钇铝石榴石晶体3，钕掺杂钇铝石榴石晶体3的横向平面上设置有由氧离子轰击形成的光波导平面，光波导平面的厚度为4微米。光波导平面上方设置有微流结构，微流结构底部设置有与光波导平面上表面相通的微流通道1，微流通道与光波导平面上表面相通的面积大于20μm²。钕掺杂钇铝石榴石晶体与光波导平面相垂直的两个竖向端面分别镀有入射光学薄膜4和出射光学薄膜5。

实施例2

基于光波导激光结构的血糖浓度探测器的制备方法，包括步骤如下：

1)将Nd:YAG晶体3的一个面进行抛光处理，并对抛光后的样品清洗；

2)用氧离子轰击晶体的抛光面，在晶体表面形成平面光波导结构2，氧离子的能量为6MeV，剂量为5×10¹⁴ions/cm²。

3)将步骤2)中形成的平面光波导的两个端面进行抛光处理，作为光的入射和出射端面。将光学薄膜镀在入射和出射端面，分别作为入射光学薄膜4和出射光学薄膜5。入射光学薄膜4对波长为810nm的光高透，波长为1064nm的光高反；出射光学薄膜5对波长为810nm的光高反，波长为1064nm的光反射率为50％。

4)透过入射光学薄膜4，将波长为810nm的激光耦合到平面波导2内，在光波导内产生波长为1064nm的激光，波长为1064nm的激光透过出射光学薄膜5出射。

5)将待测血糖液体通入微流通道1内，由于通道内血糖对波长为1064nm激光的吸收，波长为1064nm的出射光光强将会发生变化。

6)探测出射光光强的变化，根据光强变化，判断微流通道1内待测液体的血糖含量。

实施例3

基于光波导激光结构的血糖浓度探测器的制备方法，步骤如下：

1)将Nd:YAG晶体3的一个面进行抛光处理，并对抛光后的样品清洗；

2)用氧离子轰击晶体的抛光面，在晶体表面形成平面光波导结构2。氧离子的能量为8MeV，剂量为3×10¹⁴ions/cm²。

3)将步骤2)中形成的平面光波导的两个端面进行抛光处理，作为光的入射和出射端面。1)将光学薄膜镀在入射和出射端面，分别作为入射光学薄膜4和出射光学薄膜5。入射光学薄膜4对波长为810nm的光高透，波长为1064nm的光高反；出射光学薄膜5对波长为810nm的光高反，波长为1064nm的光反射率为60％。

4)透过入射光学薄膜4，将波长为810nm的激光耦合到平面波导2内，在光波导内产生波长为1064nm的激光，波长为1064nm的激光透过出射光学薄膜5出射。

5)将待测血糖液体通入微流通道1内，由于通道内血糖对波长为1064nm激光的吸收，波长为1064nm的出射光光强将会发生变化。

6)探测出射光光强的变化，根据光强变化，判断微流通道1内待测液体的血糖含量。

Claims (3)

1.一种基于光波导激光结构的血糖浓度探测器，其特征在于：包括钕掺杂钇铝石榴石晶体，所述钕掺杂钇铝石榴石晶体的横向平面上设置有由氧离子轰击形成的光波导平面，所述光波导平面上方设置有微流结构，所述微流结构底部设置有与光波导平面上表面相通的微流通道；钕掺杂钇铝石榴石晶体的与光波导平面相垂直的两个竖向端面分别镀有入射光学薄膜和出射光学薄膜；其中所述光波导平面的厚度为3～7微米；所述微流通道与光波导平面上表面相通的面积大于20μm²。

2.一种权利要求1所述的基于光波导激光结构的血糖浓度探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对钕掺杂钇铝石榴石晶体的横向平面进行抛光，并对抛光后的样品进行清洗；

2)用氧离子轰击步骤1)中钕掺杂钇铝石榴石晶体抛光清洗后的平面，在钕掺杂钇铝石榴石晶体表面形成光波导平面；光波导平面由能量为6～10MeV，剂量为2～6×1014ions/cm2的氧离子轰击形成，厚度为为3～7微米；

3)将钕掺杂钇铝石榴石晶体垂直于光波导平面的两个竖向端面进行抛光处理，并分别在两个竖向端面上镀入射光学薄膜和出射光学薄膜，分别作为光的入射端面和出射端面，光学薄膜与光波导平面构成激光谐振腔，形成钕掺杂钇铝石榴石晶体光波导激光结构；其中入射光学薄膜对波长为810nm的光高透，波长为1064nm的光高反；出射光学薄膜对波长为810nm的光高反，波长为1064nm的光反射率为50％；

4)在光波导平面上方设置微流结构，微流结构底部设置有与光波导平面上表面相通的若干平行微流通道；并且微流通道与光波导平面上表面相通的面积大于等于20μm²。

3.权利要求1所述的基于光波导激光结构的血糖浓度探测器的应用，用于检测血糖浓度，血液通过微流通道与光波导平面相接触；利用将泵浦光对激光谐振腔进行泵浦，输出波长为1064nm红外激光，根据输出激光强度变化，判断血糖浓度变化。