CN111122504A - 基于导模共振的双条形介质光栅液体折射率变化检测装置 - Google Patents
基于导模共振的双条形介质光栅液体折射率变化检测装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于光学检测装置技术领域，具体涉及一种基于导模共振的双条形介质光栅的液体折射率变化检测装置,所述检测装置的周期为P，包括：透明覆盖层，位于透明覆盖层下的第一导模光栅层，位于第一导模光栅层下的检测腔体层，位于检测腔体层下的第二导模光栅层以及位于第二导模光栅层下的基底层。本发明检测装置体积体积在微米数量级，非常适合应用于微小折射率变化传感，能检测到折射率变化非常微小的待检测样品，当样品的折射率发生细微变化时，两个透射峰的共振波长λ1与λ2发生移动，从而达到检测的效果以及提高检测的可靠性，折射率检测精度可以达到10‑3纳米量级。
Description
技术领域
本发明属于光学检测装置技术领域，具体涉及一种基于导模共振的双条形介质光栅的液体折射率变化检测装置。
背景技术
导模共振是由于衍射光栅可以看作是周期调制的波导，当光栅的高级次子波与波导所支持的导模在参数上接近时，光栅的能量重新分布，由于光栅的周期性调制使得光栅波导产生泄漏，而泄漏的波导所支持的能量也重新分布，形成导模共振效应。在共振波长处，将出现尖锐的反射峰或透射峰。
衍射光栅的导模共振是指当入射波长、入射角或介质参数改变较小时,衍射波能量发生很大变化的现象。
随着二元光学技术的不断发展和制作工艺的不断完善,亚波长微结构光栅受到了人们的不断重视。出现了更多关于导模共振光学元件的理论和实验研究新型导模共振光学元件的设计应用：滤波器、传感器等也不断涌现。
随着时代的发展与科技的进步，光学检测技术在生物医学等领域发挥着越来越重要的作用。片上检测装置具有体积微小的特点，非常适合用于微小的折射率变化检测；光学检测方法利用物质的光谱特性或物理光学特性进行测量，具有检测速度快、灵敏度高等优点，且在操作过程中不需要使用试剂，对环境污染小、测试精度高，因此近些年来越来越受到研究者的重视。
折射率、浓度等是表征溶液特性的重要参数，随着科学技术的进步，对折射率和浓度的精度要求也越来越高。因此监测非常微小的折射率变化的液体检测装置具有非常良好的应用场景。
中国发明专利申请“一种基于导模共振效应的检测装置”，公开日：2018-08-10，该光学检测装置的全峰半高宽(FWHM)在101纳米量级，而检测装置的分辨率性能FOM(Figureof merit)与全峰半高宽(FWHM)密切相关，由
知，其中当灵敏度S一定时，全峰半高宽(FWHM)越小，检测装置的分辨率性能FOM越高。因此在检测装置的分辨率性能FOM还有很大的提高空间。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种体积微小，制作工艺简单、检测精度和灵敏度高，能检测出非常微小的待测样品折射率变化的基于导模共振的双条形介质光栅折射率变化检测装置。这种检测装置在入射光入射时能产生两个全峰半高宽(FWHM)在10-2纳米量级的不同响应波长的透射峰，当检测层样品折射率发生微小的改变时，两个透射峰响应波长发生移动，从而达到检测目的。
为了解决上述技术问题，本发明具有如下构成：
基于导模共振的双条形介质光栅液体折射率变化检测装置，所述检测装置的周期为P，包括：透明覆盖层1，用于接近无损地传输垂直入射光，并隔离外界干扰，所述透明覆盖层1的高度为t；位于透明覆盖层1下的第一导模光栅层2，用于产生两个共振频率不同的共振波谷，所述第一导模光栅层2包括三个部分：第一条形介质光栅21，第二条形介质光栅22，第一光波导层23，所述第一条形介质光栅21的宽度为W1，所述第二条形介质光栅22的宽度为W2，第一条形介质光栅21和第二条形介质光栅22的高度均为h1，两者之间的距离为g，所述第一光波导层23的高度为h2；位于第一导模光栅层2下的检测腔体层3，厚度为101微米量级，用于容纳待检测样品；位于检测腔体层3下的第二导模光栅层4，用于产生两个共振频率与第一导模光栅层2共振频率相同的共振波谷，所述第二导模光栅层4包括三个部分：第三条形介质光栅41，第四条形介质光栅42，第二光波导层43，第二导模光栅层4与第一导模光栅层2之间的间隔距离为d；以及位于第二导模光栅层4下的基底层5，用于接近无损地传输出射光，并隔离外界干扰。
进一步地，所述检测装置的周期P的范围在450nm-550nm之间。
进一步地，所述透明覆盖层1的高度t在1800nm-1950nm之间。
进一步地，所述第一导模光栅层2的材料为硅。
进一步地，所述第一条形介质光栅21和第二条形介质光栅22均为横截面为矩形的长条形介质，高度h1相等，在35nm-70nm之间，宽度W1小于W2，W1范围在80nm-150nm之间，W2范围在180nm-250nm之间；两者之间的间距g在10nm-60nm之间。
进一步地，所述第一光波导层23的高度h2在420nm-460nm之间。
进一步地，所述第二导模光栅层4与第一导模光栅层2结构参数和材料完全相同，并且具有相同的共振频率。
进一步地，所述第二导模光栅层4与第一导模光栅层2之间的间隔距离d的设定满足传输相位匹配原则。
进一步地，所述覆盖层1和基底层5的材料均为二氧化硅。
本发明基于以下原理：第一导模光栅层2在光栅的周期性调制下，由入射光与波导所支持的光学模式作用，使得光能量重整分布，产生了两个共振频率不同的共振波谷dip1、dip2；第二导模光栅层4在光栅的周期性调制下，由于入射光与波导所支持的光学模式作用，使得光能量重整分布，产生了两个共振频率与第一导模光栅层2共振频率相同的共振波谷dip3、dip4；由于第一导模光栅层2与第二导模光栅层4结构参数相同，且共振频率重叠，因此共振波谷dip1与dip3,dip2与dip4基本重合。第一导模光栅层2与第二导模光栅层4的间隔距离d设定满足传输相位匹配原则，经导模共振光栅重整后的出光相干共振并产生光学模式耦合，在原来两个不同的共振波谷处，实现窄带类电磁感应透明谐振，产生的两个响应波长分别为λ1和λ2的全峰半高宽(FWHM)在10-2纳米量级的电磁感应透明峰。由于窄带类电磁感应透明峰位λ1和λ2受第一导模光栅层2和第二导模光栅层4之间传输相位影响，当两层导模光栅层之间的间隔距离d固定，检测腔体层3里面的待检测样品折射率由小变大时，两个峰值波长λ1和λ2会随之发生红移，从而达到折射率变化检测的目的。
本发明具有如下技术效果：本发明检测装置体积体在微米数量级，非常适合应用于微小折射率变化传感，能检测到折射率变化非常微小的待检测样品，当样品的折射率发生细微变化时，两个透射峰的共振波长λ1与λ2发生移动，从而达到检测的效果以及提高检测的可靠性，折射率检测精度可以达到10-3纳米量级。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1：本发明基于导模共振的双条形介质光栅折射率变化检测检测装置的结构图；
图2：本发明基于导模共振的双条形介质光栅折射率变化检测检测装置一个具体实施例的结构及尺寸图；
图3：第一导模光栅层2在光栅的周期性调制下，产生了两个共振频率不同的共振波谷dip1、dip2；
图4：第二导模光栅层4在光栅的周期性调制下，产生了两个共振频率与第一导模光栅层2共振频率相同的共振波谷dip3、dip4；
图5：本发明基于导模共振的双条形介质光栅液体折射率变化检测装置工作时的结构示意图；
图6：当检测样品折射率发生变化时，两个窄带透明峰的响应波长的移动光谱图；
图7：本发明在工作时候，入射光从检测装置上方垂直入射时出现的透射谱图；
图8：样品折射率在1.444时的透射谱的响应波长为λ1的透射峰peak1的局部放大图；
图9：样品折射率在1.444时的透射谱的响应波长为λ2的透射峰peak2的局部放大图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
如图2所示，一种基于导模共振的双条形介质光栅液体折射率变化检测装置，所述检测装置的周期P＝500nm，包括：二氧化硅覆盖层1，高度t＝1885nm；位于覆盖层下的第一导模光栅层2，包括三个部分：第一条形介质光栅21，第二条形介质光栅22，第一光波导层23，第一条形介质光栅21宽度W1＝105nm,第二条形介质光栅22宽度W2＝230nm,第一条形介质光栅和第二条形介质光栅22的高度h1＝55nm，两者之间的间隔距离g＝25nm，第一光波导层23的高度h2＝435nm；位于第一导模光栅层2下的检测腔体层3，所述检测腔体层3的厚度为101微米量级；位于检测腔体层3下的第二导模光栅层4，第二导模光栅层4与第一导模光栅层2的间隔距离d＝3165nm，第一导模光栅层2与第二导模光栅层4结构参数相同，材料均为硅；最下层的是二氧化硅基底层5；利用本实例检测装置中的两个不同响应波长的透射峰可以有效提高检测腔体层3内待测样品的分辨能力和检测精度。
在检测腔体层3的两端通过微流导管与外界连接，此检测腔体可以容纳不同的待检测样品进行检测。
图3为两个导模光栅层中，仅有第一导模光栅层2，其中第二导模光栅层4由基底层覆盖时产生的两个共振波谷dip1与dip2的透射光谱图。
图4为两个导模光栅层中，仅有第二导模光栅层4，其中第一导模光栅层2由透明覆盖层层覆盖时产生的两个共振波谷dip3与dip4的透射光谱图。
如图5所示，当检测装置工作时候的状态图，图中A为光源：为检测装置提供垂直入射的光源，B为检测装置，C为光谱仪；当所述光源A正对所述检测装置B时，光源A发出的光正向入射到所述检测装置B，入射光经过透明覆盖层，第一导模光栅层,再容纳有待测样品的检测腔体层，随后经过第二导模光栅测，最后透过基底层，出射到光谱仪C；光谱仪C接收检测装置底部的垂直出射光得到透射光谱图。
图6为当折射率改变时，透射光谱的变化图。当样品的折射率由低变高，两个透射峰峰的响应波长λ1与λ2发生红移。其中透射峰peak1的响应波长λ1移动为模式1，透射峰peak2的响应波长λ2移动为模式2。
采用Lumerical公司的仿真软件FDTD Solutions进行模拟仿真试验，检测折射率范围在1.4440-1.4540的样品，模拟仿真检测结果如表1所示：
表1
| 样品折射率 | 响应波长λ<sub>1</sub>(nm) | 响应波长λ<sub>2</sub>(nm) |
| 1.4440 | 1548.71 | 1553.62 |
| 1.4490 | 1548.85 | 1553.77 |
| 1.4540 | 1549.00 | 1553.82 |
图7为样品折射率为1.444时的透射光谱图，分别在λ1＝1548.71nm与λ2＝1553.62nm处产生两个全峰半高宽在10-2纳米量级的窄带透明峰。
图8和图9分别为两个样品折射率在1.444时的透射谱的响应波长为λ1和λ2的两个透射峰的局部放大图。其中：透射峰1的全峰半高宽FWHM1＝0.06744nm,透射峰2的全峰半高宽FWHM2＝0.05841nm；
折射率改变时，将透射峰1的响应波长λ1的移动△λ1称为模式1；将透射峰2的响应波长λ2的移动△λ2称为模式2；模式1与模式2检测装置的分辨率性能FOM如表2所示：
表2
| 模式 | 分辨率性能FOM |
| 模式1 | 363 |
| 模式2 | 424 |
本发明基于导模共振的双条形介质光栅折射率变化检测装置，特别是在测量微量的折射率变化的折射率变化微小的待测样品时，能够得到更为精确的数值，操作方便，检测简单；本发明相比于传统的单峰值的导模共振检测装置或者响应全峰半高宽(FWHM)在微米量级的检测装置，提高了检测装置的分辨率FOM，而且有模式1与模式2两个检测模式，提高了检测的安全可靠性，从而提高了整个光学检测系统的性能；且本发明检测装置在工艺上制作简便，操作简单，利于推广，而且体积微小，非常适用于微量折射率变化检测。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限定，仅仅参照较佳实施例对本发明进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围内。
Claims (9)
1.基于导模共振的双条形介质光栅液体折射率变化检测装置，其特征在于：所述检测装置的周期为P，包括：透明覆盖层(1)，用于接近无损地传输垂直入射光，并隔离外界干扰，所述透明覆盖层(1)的高度为t；位于透明覆盖层(1)下的第一导模光栅层(2)，用于产生两个共振频率不同的共振波谷，所述第一导模光栅层(2)包括三个部分：第一条形介质光栅(21)，第二条形介质光栅(22)，第一光波导层(23)，所述第一条形介质光栅(21)的宽度为W1，所述第二条形介质光栅(22)的宽度为W2，第一条形介质光栅(21)和第二条形介质光栅(22)的高度均为h1，两者之间的距离为g，所述第一光波导层(23)的高度为h2；位于第一导模光栅层(2)下的检测腔体层(3)，厚度为101微米量级，用于容纳待检测样品；位于检测腔体层(3)下的第二导模光栅层(4)，用于产生两个共振频率与第一导模光栅层(2)共振频率相同的共振波谷，所述第二导模光栅层(4)包括三个部分：第三条形介质光栅(41)，第四条形介质光栅(42)，第二光波导层(43)，第二导模光栅层(4)与第一导模光栅层(2)之间的间隔距离为d；以及位于第二导模光栅层(4)下的基底层(5)，用于接近无损地传输出射光，并隔离外界干扰。
2.根据权利要求1所述基于导模共振的双条形介质光栅液体折射率变化检测装置，其特征在于：所述检测装置的周期P的范围在450nm-550nm之间。
3.根据权利要求1所述基于导模共振的双条形介质光栅液体折射率变化检测装置，其特征在于：所述透明覆盖层(1)的高度t在1800nm-1950nm之间。
4.根据权利要求1所述基于导模共振的双条形介质光栅液体折射率变化检测装置，其特征在于：所述第一导模光栅层(2)的材料为硅。
5.根据权利要求1所述基于导模共振的双条形介质光栅液体折射率变化检测装置，其特征在于：所述第一条形介质光栅(21)和第二条形介质光栅(22)均为横截面为矩形的长条形介质，高度相等，宽度W1小于W2，W1范围在80nm-150nm之间，W2范围在180nm-250nm之间；两者之间的间距g在10nm-60nm之间。
6.根据权利要求1所述基于导模共振的双条形介质光栅液体折射率变化检测装置，其特征在于：所述第一光波导层(23)的高度h2在420nm-460nm之间。
7.根据权利要求1所述基于导模共振的双条形介质光栅液体折射率变化检测装置，其特征在于：所述第二导模光栅层(4)与第一导模光栅层(2)结构参数和材料完全相同，并且具有相同的共振频率。
8.根据权利要求1所述基于导模共振的双条形介质光栅液体折射率变化检测装置，其特征在于：所述第二导模光栅层(4)与第一导模光栅层(2)的间隔距离d的设定满足传输相位匹配原则。
9.根据权利要求1所述基于导模共振的双条形介质光栅液体折射率变化检测装置，其特征在于：所述覆盖层(1)和基底层(5)的材料均为二氧化硅。
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| 陈颖;赵志勇;何磊;韩帅涛;朱奇光;翟应俭;李少华;: "表面覆膜波导光栅共振光谱特性及传感机理分析", 光谱学与光谱分析, no. 07, 15 July 2018 (2018-07-15) * |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111122504B (zh) | 2024-06-14 |
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