CN109444078A - 基于非对称金属包覆介质波导的波长扫描折射率传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于非对称金属包覆介质波导的波长扫描折射率传感器，包括宽带光源、起偏器、棱镜、匹配油、玻璃基底、金属薄膜、待测物和光谱仪。宽带光源发出一定波长范围的入射光，经起偏器后成为特定方向的线偏振光，并垂直于棱镜表面入射，经棱镜耦合辐照非对称金属包覆介质波导，反射光从棱镜中射出后，辐照到光谱仪上。通过反射光谱的测量，确定非对称金属包覆介质波导中相应导模共振的激发波长，进而确定待测物的折射率。本发明将待测物作为非对称金属包覆介质波导的导波层，充分利用了导模共振波长变化与待测物折射率之间的关系,实现了高灵敏度的折射率传感，具有结构简单和高灵敏度测量的优势，可广泛应用于折射率传感领域。
Description
技术领域
本发明属于折射率传感器领域，涉及利用非对称金属包覆介质波导结构进行折射率传感测量的技术领域，特别涉及基于非对称金属包覆介质波导的波长扫描折射率传感器。
背景技术
折射率是物质的一个重要光学特性参数，它与物质的内部组成及成分有着直接的联系。折射率的检测在生物学、化学等相应的检测领域中有着广泛的应用。因此，研究人员提出了许多基于不同传感原理的折射率传感器，其中，由于表面等离子体的强耦合性质，它在折射率传感领域的应用也越来越多，基于表面等离子体的折射率传感器主要包括棱镜耦合和光栅耦合两种方式，研究人员依此设计出了相应的折射率传感器，并且实现了不同灵敏度的折射率传感测量，但是，这些折射率传感器却仍然有一定的不足，主要表现在以下几个方面：
(1)传感范围小：利用棱镜耦合表面等离子体共振进行折射率传感时，待测物的折射率必须小于棱镜本身的折射率，因此限制了折射率测量的传感范围。
(2)成本高：利用光栅耦合表面等离子体共振进行传感时，需要考虑光栅本身的制作工艺，无疑增加了传感器制作的成本。
另外，折射率传感测量方式主要包括波长扫描和角度扫描，而角度扫描由于入射角度的不断改变，故其折射率传感测量效率低且操作复杂。
发明内容
本发明的目的在于弥补现有基于角度扫描折射率传感器的不足，提出一种基于非对称金属包覆介质波导的波长扫描折射率传感器，对利用棱镜耦合的角度扫描传感器进行技术改进，从而实现操作简单、成本低廉的高灵敏度折射率传感。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
基于非对称金属包覆介质波导的波长扫描折射率传感器，包括宽带光源、起偏器、棱镜、匹配油、玻璃基底、金属薄膜、待测物和光谱仪，其中，所述的宽带光源发出的具有一定波长范围的入射光，经起偏器改变偏振方向后，成为TM或TE偏振的线偏振光，并沿垂直于棱镜表面的方向射入棱镜，入射光经棱镜耦合辐照到由金属薄膜、待测物和空气所构成的非对称金属包覆介质波导上，反射光从棱镜射出后，辐照到光谱仪上，通过反射光谱的测量，实现高灵敏度的波长扫描的折射率传感。
其中，非对称金属包覆介质波导中存在导波模式，入射光以激发导模的共振波长辐照时，入射光能量将耦合到待测物中导模的能量，光谱仪探测到的反射光谱将出现相应导模对应的波谷，通过对反射光谱的分析，可以确定相应入射角度下导模的共振波长，进而通过非对称金属包覆介质波导的相关理论，计算并确定待测物的折射率，即可实现高灵敏度的折射率传感。
其中，所述的非对称金属包覆介质波导，是由金属薄膜，待测物和空气构成的三层结构，金属薄膜和空气用作包覆待测物的包覆层。
其中，不同波长的入射光从宽带光源发出，经起偏器改变偏振方向，由棱镜耦合辐照到非对称金属包覆介质波导，反射光从棱镜中射出后，由光谱仪测量反射光谱。
其中，通过宽带光源发出不同波长的光，沿垂直于棱镜表面的方向入射，保证了所有入射光以同一入射角度辐照非对称金属包覆介质波导，从而避免了由于棱镜色散引起的不同波长的光以不同角度辐照非对称金属包覆介质波导的问题，同时保证了测量的实时性和准确性。
本发明的原理在于：基于非对称金属包覆介质波导的波长扫描折射率传感器，包括宽带光源、起偏器、棱镜、匹配油、玻璃基底、金属薄膜、待测物、光谱仪，其中，所述的宽带光源发出不同波长的入射光，由起偏器改变偏振方向后，成为TM或TE偏振的线偏振光，经棱镜折射后，辐照到非对称金属包覆介质波导，反射光从棱镜射出，由光谱仪测量反射光谱，从而通过测量的共振波长确定波导中存在的导波模式，进而确定待测物的折射率，实现操作简单的高灵敏度的折射率传感。
其中，所述的宽带光源，发出不同波长的入射光，作为激发导模共振的激发光源。
其中，所述的起偏器，用于改变由宽带光源发出自然光的偏振方向，使其成为TM或TE偏振的线偏振光。
其中，所述的棱镜，用来耦合激发非对称金属包覆介质波导中的导波模式。
其中，所述的匹配油，用于粘合棱镜与玻璃基底。
其中，所述的金属薄膜，通过电子束蒸发蒸镀到玻璃基底上，并作为非对称金属包覆介质波导结构中的金属包覆层。
其中，所述的待测物，作为非对称金属包覆介质波导中的导波层。
其中，所述的光谱仪，用于反射光谱的测量。
其中，所述的宽带光源发出一定波长范围的自然光，经起偏器改变偏振方向后，成为TM或TE偏振的线偏振光后，垂直于棱镜表面射入，既保证了所有波长的入射光能够继续沿同一方向传播，又保证了各波长的光以同一角度辐照到非对称金属包覆介质波导，且反射光也垂直于棱镜表面射出后，辐照到光谱仪上，从而实现了波长扫描的反射光谱测量。
本发明基于非对称金属包覆介质波导的波长扫描折射率传感器具有如下优点：
(1)高灵敏度：非对称金属包覆介质波导中存在导模，入射角度一定时，不同导模共振对应不同的激发波长，通过利用各导模的共振波长与待测物折射率的关系，即可实现高灵敏度的折射率传感测量。
(2)结构简单、操作方便：测量中，宽带光源、起偏器、棱镜、非对称金属包覆介质波导、光谱仪的空间位置不变，仅通过利用宽带光源发出不同波长的入射光，既保证了该传感器的稳定性，又实现了波长扫描的反射光谱测量。因此，具有结构简单和操作方便的双重优势。
(3)灵活性强：由于不同入射角度下，折射率传感特性有所差别，故在实际测量时，可根据实际需求，选择不同角度的棱镜及宽带光源。
附图说明
图1是本发明基于非对称金属包覆介质波导的波长扫描折射率传感器示意图；
图2是入射角度为45°时，待测物折射率范围为1.30-1.40对应的反射光谱图；
图3是图2的反射光谱图所对应共振波长与待测物折射率之间的函数关系图；
图4是图2的反射光谱图所对应谱线的品质因数与待测物折射率之间的函数关系图；
图5是入射角度为60°时，待测物折射率范围为1.30-1.40对应的反射光谱图；
图6是图5的反射光谱图所对应共振波长与待测物折射率之间的函数关系图；
图7是图5的反射光谱图所对应谱线的品质因数与待测物折射率之间的函数关系图。
图1中：1为宽带光源，2为起偏器，3为棱镜，4为匹配油，5为玻璃基底，6为金属薄膜，7为待测物，8为光谱仪。
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详细描叙，附图中相同的标号始终表示相同的部件。
实施例1
参照图1所示的基于非对称金属包覆介质波导的波长扫描折射率传感示意图，包括宽带光源1，起偏器2，棱镜3，匹配油4，玻璃基底5，金属薄膜6，待测物7，光谱仪8，其中：
宽带光源1，发出一定波长范围的入射光，用作激发相关导波模式的激发光源。
起偏器2，改变由宽带光源1发出入射自然光的偏振方向，使其成为TM或TE偏振的线偏振光。
棱镜3，用来耦合激发非对称金属包覆介质波导中的导波模式。
匹配油4，用于粘合棱镜3与玻璃基底5。
玻璃基底5，厚度约为1mm，作为衬底，金属薄膜6通过电子束蒸发蒸镀到玻璃基底5上。
金属薄膜6，厚度约为50nm的金膜，作为非对称金属包覆介质波导结构中的金属包覆层。
待测物7，厚度约为500nm，用作非对称金属包覆介质波导结构中的导波层。
光谱仪9，用做反射光谱的测量。
宽带光源1发出波长为600～1000nm的入射光，经起偏器2改变偏振方向后，成为TM偏振的线偏振光，并垂直于棱镜3(选等腰直角棱镜)表面射入，以入射角45o辐照到非对称金属包覆介质波导上，反射光从棱镜3射出后，辐照到光谱仪8上，反射光谱如图2所示。参照入射角度为45°的反射光谱图2，可计算激发TM0导模共振时对应的入射波长、品质因数与待测物折射率之间的函数关系图，分别如图3和图4所示。其中，图3中入射波长与待测物折射率之间函数关系的斜率(1339nm/RIU)即为45o角入射时的灵敏度，图4中传感器的品质因数在待测物折射率1.30～1.40范围时为85.0～102.7RIU-1。
实施例2
宽带光源1所发出波长范围为600～2000nm的入射光,经起偏器2改变偏振方向后,成为TM偏振的线偏振光，并垂直于棱镜3(选等边三棱镜)表面入射，以入射角60°辐照到非对称金属包覆介质波导上，反射光谱如图5所示，计算其激发对应TM0导模共振的波长、品质因数与待测物折射率之间的函数关系图如图6，图7所示。其它结构同实施例1。其中，图6中入射波长与待测物折射率之间函数关系的斜率(7724.9nm/RIU)即为60o角入射时的灵敏度，图7中传感器的品质因数在待测物折射率1.30～1.40范围时为72.1～92.3RIU-1。
通过入射角度分别为45°和60°时反射光谱的测量及相应传感特性的计算，可以很明显地看出共振波长随待测物折射率增大出现红移，并呈现线性增长的趋势，说明了其对应折射率检测时灵敏度的稳定性，并且，对于不同的入射角，其传感特性灵敏度、品质因数有所差异，因此在实际折射率测量时，可以根据特定的要求，选择不同的入射角及宽带光源，由此也显示了本折射率传感器的灵活性。
下面进一步结合非对称金属包覆介质波导的电磁理论来说明本发明基于非对称金属包覆介质波导的波长扫描折射率传感器的原理：
图1是基于非对称金属包覆介质波导的波长扫描折射率传感器的光路示意图。宽带光源1发出一定波长范围的入射光，玻璃基底5、匹配油4和棱镜3是相同折射率的材料，设其为ng，金属薄膜6的折射率为nm，待测物7的厚度为da，无限厚的空气作为包覆层包覆待测物7，基于这种由金属薄膜6、待测物7和空气三层结构所组成的非对称金属包覆介质波导，通过光谱仪8完成波长扫描的反射光谱测量，通过对反射光谱的分析和计算，可确定厚度da的待测物7条件下，非对称金属包覆介质波导在入射角度θ0对应的共振波长，并最终由此计算求得待测物7的折射率na。
宽带光源1发出一定波长范围的入射光，经起偏器2改变偏振方向，成为TM偏振的线偏振光后，沿垂直于棱镜3的表面方向射入，以θ0的入射角辐照到非对称金属包覆介质波导中。该波导结构存在TM导波模式，当满足模式本征方程：
可激发TM0导波共振；
其中，nair,nm,na分别为空气，金属薄膜6以及待测物7的折射率，k0＝2π/λ0为真空中波长为λ0的入射光的波矢。当激发TM0导波模式时，β满足：
β＝k0ngsinθ0
其中，ng为棱镜3，匹配油4和玻璃基底5共同的折射率。
通过以上的理论分析可知，当宽带光源1输出一定波长范围的入射光，经起偏器2改变偏振方向后，成为TM偏振的线偏振光，并沿垂直于棱镜3的表面方向以θ0的入射角辐照非对称金属包覆介质波导，当待测物7的厚度da等参数确定后，发生TM0导模共振时的入射波长λ0仅依赖于待测物7的折射率na，因此可以通过本发明基于非对称金属包覆介质波导的波长扫描折射率传感器，测量待测物7的折射率，实现高灵敏度的折射率传感测量。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
Claims (7)
1.基于非对称金属包覆介质波导的波长扫描折射率传感器，其特征在于，该传感器包括宽带光源(1)、起偏器(2)、棱镜(3)、匹配油(4)、玻璃基底(5)、金属薄膜(6)、待测物(7)和光谱仪(8)，其中，所述的宽带光源(1)发出一定波长范围的入射光，经起偏器(2)改变偏振方向后，成为TM或TE偏振的线偏振光，并垂直于棱镜(3)表面入射，经棱镜(3)耦合辐照到金属薄膜(6)、待测物(7)和空气构成的非对称金属包覆介质波导上，反射光从棱镜(3)射出后，辐照到光谱仪(8)上，通过反射光谱的测量实现波长扫描的折射率传感。
2.根据权利要求1所述的基于非对称金属包覆介质波导的波长扫描折射率传感器，其特征在于，非对称金属包覆介质波导中存在导波模式，在入射角度一定的条件下，宽带光源(1)发出的入射光辐照非对称金属包覆介质波导时，入射光中对应激发相关导模共振的光能量将耦合到待测物(7)中的导模的能量，而其它波长的光将被全反射，因此，光谱仪(8)将探测到反射光谱出现相应导模对应的波谷，通过对反射光谱的分析，可以确定相应导模共振对应的激发光波长，进而通过非对称金属包覆介质波导的相关理论，计算并确定待测物(7)的折射率，通过这种固定入射角度进行共振波长测量的方法，可实现高灵敏度的折射率传感。
3.根据权利要求1所述的基于非对称金属包覆介质波导的波长扫描折射率传感器，其特征在于，所述的非对称金属包覆介质波导，是由金属薄膜(6)，待测物(7)和空气三层构成的结构，金属薄膜(6)和空气用作包覆待测物(7)的包覆层。
4.根据权利要求1所述的基于非对称金属包覆介质波导的波长扫描折射率传感器，其特征在于，宽带光源(1)可发出一定波长范围的入射光，经起偏器(2)改变偏振方向，由棱镜(3)耦合辐照到非对称金属包覆介质波导，反射光从棱镜(3)中射出后，由光谱仪(8)测量反射光谱。
5.根据权利要求1所述的基于非对称金属包覆介质波导的波长扫描折射率传感器，其特征在于，在入射角度一定的条件下，通过宽带光源(1)发出不同波长的入射光，经起偏器(2)改变偏振方向后，成为TM或TE偏振的线偏振光，沿垂直于棱镜(3)表面的方向射入棱镜(3)，从而保证了不同波长的入射光以同一角度辐照非对称金属包覆介质波导，并以同一反射角从棱镜(3)中射出。
6.根据权利要求1所述的基于非对称金属包覆介质波导的波长扫描折射率传感器，其特征在于，通过对反射光谱的分析和计算，可确定在厚度da的待测物(7)条件下，非对称金属包覆介质波导在入射角度θ0对应的共振波长，并最终由此计算求得待测物(7)的折射率na。
7.根据权利要求1所述的基于非对称金属包覆介质波导的波长扫描折射率传感器，其特征在于，宽带光源(1)发出一定波长范围的入射光，经起偏器(2)改变偏振方向，成为TM偏振的线偏振光后，沿垂直于棱镜(3)的表面方向射入，以θ0的入射角辐照到非对称金属包覆介质波导中，该波导结构存在TM导波模式，当满足模式本征方程：
可激发TM0导波共振，其中，nair,nm,na分别为空气，金属薄膜以及待测物的折射率，k0＝2π/λ0为真空中波长为λ0的入射光的波矢，当激发TM0导波模式时，β满足：
β＝k0ngsinθ0
其中，ng为棱镜(3)，匹配油(4)和玻璃基底(5)共同的折射率；
所以，当宽带光源(1)输出一定波长范围的入射光，经起偏器(2)改变偏振方向后，成为TM偏振的线偏振光，并沿垂直于棱镜(3)的表面方向以θ0的入射角辐照非对称金属包覆介质波导，当待测物(7)的厚度da确定后，发生TM0导模共振时的入射波长λ0仅依赖于待测物(7)的折射率na，因此可以通过基于非对称金属包覆介质波导的波长扫描折射率传感器，测量对应导模共振的入射波长，进而确定待测物(7)的折射率，从而实现高灵敏度的折射率传感测量。
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