CN107356558A - 微纳光检测装置及光检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微纳光检测装置及光检测系统，涉及光学检测技术领域。微纳光检测装置包括第一盖板、第二盖板以及传导组件，传导组件设置于第一盖板和第二盖板之间，第一盖板及第二盖板用于防止通过传导组件传导的电磁波发生泄露，传导组件包括第一波导、第二波导及共振腔，第一波导和第二波导设置于共振腔相对的两侧，第一波导、共振腔及第二波导用于传导特定波长的光，本实施例提供的微纳光检测装置，通过将光耦合到共振腔中产生法诺共振或洛伦兹共振，在特定波段的待检测光在第一波导一端通过共振腔耦合至第二波导的一端进行传播，可以用来检测是否有特定波长的光通过所述微纳光检测装置，以检测特定波长的透射情况。

Description

微纳光检测装置及光检测系统

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，具体而言，涉及一种微纳光检测装置及光检测系统。

背景技术

传统光谱检测仪设备复杂，大多数时间不需要读出完全光谱，现有技术模块相对较大，达不到微纳尺度的器件尺寸，严重影响了产品的集成化和芯片化。

在很多产品检测中，很多检测并不需要读出完全光谱数据，只需得到特定波长数据。相比于制备匹配液的光谱检测器，匹配液制备复杂，且利用率不高。利用纳米技术制备滤波器，虽然精度高，但是芯片尺度依然达到了几百微米量级。利用传统傅里叶检测方法制作的光谱设备，光路复制，需要大型仪器的支持，难以做到微小化。以上设备很难被用于微流体折射率检测，功能相对比较局限。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种微纳检测器件，以解决现有技术模块较大，达不到微纳尺寸，用处单一的问题。

本发明实施例的另一目的提供了一种光检测系统，以改善上述的问题。

一种微纳光检测装置，所述微纳光检测装置包括第一盖板、第二盖板以及传导组件，所述传导组件设置于所述第一盖板与所述第二盖板之间，所述第一盖板及所述第二盖板用于防止通过所述传导组件传导的电磁波发生泄露，所述传导组件包括第一波导、第二波导及共振腔，所述第一波导和所述第二波导设置于所述共振腔相对的两侧，所述第一波导、共振腔及第二波导用于传导特定波长的光。

优选的，所述第一波导包括第一表面，所述第一表面开设有第一狭缝，所述第一狭缝的深度方向与所述第一表面垂直，所述第一狭缝的深度小于所述第一表面到所述共振腔的外壁的距离。

优选的，所述第二波导包括与所述第一表面相对的第二表面，所述第二表面开设有第二狭缝，所述第二狭缝的深度方向与所述第二表面垂直，所述第二狭缝的深度小于所述第二表面到所述共振腔的外壁的距离。

优选的，所述第一狭缝和所述第二狭缝相对于所述共振腔对称设置。

优选的，所述共振腔为圆柱状，所述共振腔的高度方向与所述第一盖板和所述第二盖板均垂直。

优选的，所述共振腔内设置有挡板，所述挡板与所述共振腔的内壁连接。

优选的，所述第一盖板和所述第二盖板均开设有通孔，所述第一盖板的通孔用于向所述传导组件内部注入液体或气体，所述第二盖板的通孔用于所述液体或所述气体流出所述传导组件，以检测微纳光检测装置的共振腔内物质折射率的变化。

优选的，所述第一盖板和所述第二盖板均为金属盖板。

优选的，所述第一波导和所述第二波导均为MIM波导。

一种光检测系统，所述光检测系统包括光强检测装置以及微纳光检测装置，所述微纳光检测装置包括第一盖板、第二盖板以及传导组件，所述传导组件设置于所述第一盖板与所述第二盖板之间，所述第一盖板及所述第二盖板用于防止通过所述传导组件传导的电磁波发生泄露，所述传导组件包括第一波导、第二波导及共振腔，所述第一波导和所述第二波导设置于所述共振腔相对的两侧，所述第一波导、共振腔及第二波导用于传导特定波长的光，所述光检测装置用于检测从所述微纳光检测装置的传导组件传导射出的光的强度。

相对现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的一种微纳光检测装置及光检测系统，微纳光检测装置包括第一盖板、第二盖板以及传导组件，所述传导组件设置于所述第一盖板与所述第二盖板之间，所述第一盖板及所述第二盖板用于防止通过所述传导组件传导的电磁波发生泄露，所述传导组件包括第一波导、第二波导及共振腔，所述第一波导和所述第二波导设置于所述共振腔相对的两侧，所述第一波导、共振腔及第二波导用于传导特定波长的光，本实施例提供的微纳光检测装置，通过将光耦合到共振腔中产生法诺共振或洛伦兹共振，在特定波段的待检测光在第一波导一端通过共振腔耦合至第二波导的一端进行传播，可以用来检测是否有特定波长的光通过所述微纳光检测装置，以检测特定波长的透射情况。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明所提供的一种微纳光检测装置示意图。

图2示出了本发明提供的微纳光检测装置的组装结构示意图。

图3示出了传导组件的第一视角示意图。

图4示出了传导组件的第二视角示意图。

图5示出了第一实施例提供的光检测系统的示意图。

图6示出了第二实施例提供的光检测系统的示意图。

图7示出了第二实施例提供的微纳光检测装置的示意图。

图标：100-微纳光检测装置；110-第一盖板；111-通孔；130-第二盖板；150-传导组件；151-第一波导；1511-第一表面；1513-第一狭缝；153-第二波导；1531-第二表面；1533-第二狭缝；155-共振腔；1551-挡板；200-光检测系统；210-光强检测装置；230-光谱分析装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。

在本发明的描述中，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

第一实施例

请参阅图1，图1示出了本实施例提供了一种微纳光检测装置100的示意图。

微纳光检测装置100包括第一盖板110、第二盖板130以及传导组件150。请参阅图2，图2示出了本实施例提供的所述微纳光检测装置100的组装结构示意图。其中，第一盖板110和第二盖板130相对设置，所述第一盖板110设置于所述传导组件150的上方，所述第二盖板130设置于所述传导组件150的下方，所述第一盖板110和第二盖板130均与所述传导组件150良好接触以防止通过所述传导组件150传导的电磁波(于本实施例中，所述电磁波是光)发生泄漏。

请参阅图3，图3示出了传导组件150的第一视角示意图。传导组件150包括第一波导151、第二波导153、共振腔155以及挡板1551。所述第一波导151和所述第二波导153设置于所述共振腔155相对的两侧，所述挡板1551设置于所述共振腔155内。

共振腔155设置于所述第一波导151和所述第二波导153之间，可以通过电子束蚀刻而成。所述共振腔155的形状大小为纳米级，于本实施例中，所述共振腔155为圆柱形空腔，所述共振腔155的半径r为小于300纳米，于本实施例中，所述共振腔155的半径r为250纳米。

共振腔155的高度与所述第一波导151、第二波导153的高度均相同。共振腔155的高度方向与所述第一波导151的第一表面1511，第二波导153的第二表面1531均垂直。

共振腔155内设置有挡板1551，所述挡板1551设置于所述共振腔155的内壁，所述挡板1551用于使所述共振腔155形成非对称空腔，光耦合到该非对称空腔后，在特定的频率能够产生法诺(Fano)共振和洛伦兹(Lorentz)共振，这两种共振峰在光学检测中有着非常良好的特性，首先，这两种共振在可见光和近红外波段有着非常窄的半峰宽(小于20nm)，这非常有助于减少检测中的光谱的重叠，使得检测精度更高。第二，Fano共振对于共振腔155中的折射率非常敏感，可以达到1000nm/RIU，通过在空腔中用微流器件注入液体或者气体，从而实时检测空腔中折射率的变化。

请参阅图4，图4示出了本实施例提供的传导组件150的第二视角示意图。于本实施例中，所述共振腔155的半径为250纳米。

所述第一波导151为金属-介质-金属(MIM，metal-insulator-metal)波导，作用是使得电磁波在其中传播。第一波导151包括第一表面1511，所述第一表面1511开设有第一狭缝1513，所述第一狭缝1513的深度方向与所述第一表面1511垂直，且所述第一狭缝1513的深度小于所述第一表面1511到所述共振腔155的外壁的距离。

所述第一表面1511的形状可以是矩形或其他的形状，于本实施例中，所述第一表面1511的形状为正方形。所述正方形的边长l为1000纳米。

所述第一狭缝1513开设于所述第一表面1511，所述第一狭缝1513用于接收待检测的入射光。于本实施例中，所述狭缝的宽度w为50纳米，所述第一狭缝1513的底部与所述共振腔155的不连通。于本实施例中，所述第一狭缝1513的底部与所述共振腔155的外壁之间有薄金属层。

所述第二波导153与第一波导151的结构相似，第二波导153与所述第一波导151关于所述共振腔155对称地设置。所述第二波导153同样为金属-介质-金属(MIM)波导，作用是使得电磁波在其中传播。第二波导153包括第二表面1531，所述第二表面1531开设有第二狭缝1533，所述第二狭缝1533的深度方向与所述第二表面1531垂直，且所述第二狭缝1533的深度小于所述第二表面1531到所述共振腔155的外壁的距离。

所述第二表面1531的形状与所述第一表面1511的形状相同，于本实施例中，所述第二表面1531的形状为正方形。所述正方形的边长l为1000纳米。

所述第二狭缝1533开设于所述第二表面1531，所述第二狭缝1533用于出射透过所述共振腔155的出射光，于本实施例中，所述第二狭缝1533的宽度与所述第一狭缝1513的宽度相同，可以理解的是，所述第二狭缝1533的底部与所述共振腔155同样不连通。于本实施例中，所述第二狭缝1533的底部与所述共振腔155的外壁之间有薄金属层。

于本实施例中，所述传导组件150由银制成。

所述第一盖板110和所述第二盖板130均为金属材料制成的盖板，例如，金或银。用于防止电磁波在所述传导组件150内传导时发生泄漏，第一盖板110和所述第二盖板130的厚度均大于100纳米。

本实施例还提供一种光检测系统200，请参阅图5，光检测系统200包括微纳光检测装置100及光强检测装置210，光强检测装置210设置于所述微纳光检测装置100第二波导153的一侧，且所述光强检测装置210对准所述第二狭缝1533，用于检测通过所述微纳光检测装置100的第二狭缝1533出射的光的强度，以检测透射光谱。

光检测系统200的工作原理：将待检测光从所述微纳光检测装置100的第一波导151处射入，通过激发表面等离子体(SPP)通过第一波导151的MIM波导，在特定波段会耦合入微纳光检测装置100中间的共振腔155，产生共振，从而耦合到第二波导153的MIM波导。表面等离极化激元(Surface Plasmon Polaritons，SPPs)是金属表面自由电子与光子相互作用产生的沿着金属表面传输倏逝波，其光场振幅在垂直表面呈指数衰减。因此这种电磁波只能在金属与介质的界面上传输，从而利用SPPs的光学器件有着更小的尺寸。共振腔155内的挡板1551可以限制通过共振腔155共振耦合至第二波导153的光的波长，在所述第二波导153外的光强检测装置210用于检测通过微纳光检测装置100的光的强度，当检测到通过所述微纳光检测装置100的光的光强大于一个预设值时，则可以判定入射光中包括有特定波长的光。

例如，在900nm-1400nm的波长中，有一个透射峰，可以通过改变挡板1551的高度来控制共振峰的移动，所述挡板1551的高度是指挡板1551延伸至所述圆柱形共振腔155的圆心的距离。每个共振峰的半峰宽均不超过30nm，最小可以达到18nm，说明可以在检测中消除干扰，通过改变挡板1551的高度，会影响共振腔155中共振模式的改变。利用这种现象，可以对不同的波长的光进行检测。

于本实施例中，在所述挡板1551的高度为50纳米至250纳米时，分别可以检测到波长为900nm～1400nm的光。

第二实施例

本实施例提供了一种光检测系统200，请参阅图6，图6示出了本实施例提供的光检测系统200的示意图。

本实施例提供的光检测系统200包括第一实施例中的微纳光检测装置100以及光谱分析装置230。所述光谱分析装置230设置于所述微纳光检测装置100第二波导153的一侧，用于检测分析透过所述微纳光检测装置100的光的光谱。

本实施例中的微纳光检测装置100与第一实施例中的微纳光检测装置100略有不同，请参阅图7，图7示出了本实施例提供的微纳光检测装置100示意图。所述第一盖板110和第二盖板130均开设有通孔111，可以利用微流泵装置向共振腔155中注入液体或气体，液体或气体从第一盖板110上的通孔111注入共振腔155，从所述第二盖板130的通孔111流出共振腔155，从而改变共振腔155内的折射率，通过对出射光的光谱进行分析，可以分析得出共振腔155内的物质折射率的微小变化，敏感度可达到1000nm/RIU，可以检测出折射率在0.01的变化。

综上所述，本发明实施例提供了一种微纳光检测装置及光检测系统，微纳光检测装置包括第一盖板、第二盖板以及传导组件，所述传导组件设置于所述第一盖板与所述第二盖板之间，所述第一盖板及所述第二盖板用于防止通过所述传导组件传导的电磁波发生泄露，所述传导组件包括第一波导、第二波导及共振腔，所述第一波导和所述第二波导设置于所述共振腔相对的两侧，所述第一波导、共振腔及第二波导用于传导特定波长的光，光检测装置设置于第二波导的一侧，用于检测透过光检测装置的光的强度，根据挡板的高度不同，可以检测到不同波长的光的通过。本发明提供的微纳光检测装置，器件大小达到了微纳级别，可以嵌入到芯片中，实现芯片式的检测装置，在应用中能够节省大量的空间。同时能够用于多种检测，如光谱检测、折射率检测等。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微纳光检测装置，其特征在于，所述微纳光检测装置包括第一盖板、第二盖板以及传导组件，所述传导组件设置于所述第一盖板与所述第二盖板之间，所述第一盖板及所述第二盖板用于防止通过所述传导组件传导的电磁波发生泄露，所述传导组件包括第一波导、第二波导及共振腔，所述第一波导和所述第二波导设置于所述共振腔相对的两侧，所述第一波导、共振腔及第二波导用于传导特定波长的光。

2.如权利要求1所述的微纳光检测装置，其特征在于，所述第一波导包括第一表面，所述第一表面开设有第一狭缝，所述第一狭缝的深度方向与所述第一表面垂直，所述第一狭缝的深度小于所述第一表面到所述共振腔的外壁的距离。

3.如权利要求2所述的微纳光检测装置，其特征在于，所述第二波导包括与所述第一表面相对的第二表面，所述第二表面开设有第二狭缝，所述第二狭缝的深度方向与所述第二表面垂直，所述第二狭缝的深度小于所述第二表面到所述共振腔的外壁的距离。

4.如权利要求3所述的微纳光检测装置，其特征在于，所述第一狭缝和所述第二狭缝相对于所述共振腔对称设置。

5.如权利要求1所述的微纳光检测装置，其特征在于，所述共振腔为圆柱状，所述共振腔的高度方向与所述第一盖板和所述第二盖板均垂直。

6.如权利要求1所述的微纳光检测装置，其特征在于，所述共振腔内设置有挡板，所述挡板与所述共振腔的内壁连接。

7.如权利要求1所述的微纳光检测装置，其特征在于，所述第一盖板和所述第二盖板均开设有通孔，所述第一盖板的通孔用于向所述传导组件内部注入液体或气体，所述第二盖板的通孔用于所述液体或所述气体流出所述传导组件，以检测微纳光检测装置的共振腔内物质折射率的变化。

8.如权利要求1所述的微纳光检测装置，其特征在于，所述第一盖板和所述第二盖板均为金属盖板。

9.如权利要求1所述的微纳光检测装置，其特征在于，所述第一波导和所述第二波导均为MIM波导。

10.一种光检测系统，其特征在于，所述光检测系统包括光强检测装置以及如权利要求1-6任意一项所述的微纳光检测装置，所述光强检测装置用于检测从所述微纳光检测装置的传导组件传导射出的光的强度。