CN112461787A - 一种基于布洛赫表面波的铌酸锂光学传感器及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于布洛赫表面波的铌酸锂光学传感器及方法，由下而上的依次包括光学棱镜、周期性光子晶体和铌酸锂吸光介质层；周期性光子晶体由高折射率材料和低折射率材料交替N个周期排列而成。本发明通过多层膜结构激发BSW，并在吸光介质层处形成足够强的电场，使铌酸锂能够强烈的吸收BSW频率的光波，从而在反射光谱中形成共振峰。建立共振峰波长或方位角与待测样品折射率的关系，通过检测共振峰波长或角度的漂移来实现对待测样本折射率的动态检测和定性分析。本发明传感器制作简单，能实时和可重复性检测待测物，是一种具有高灵敏度和高品质因子的光子晶体折射率传感器。

Description

一种基于布洛赫表面波的铌酸锂光学传感器及方法
技术领域
本发明属于光学技术科学领域，具体涉及一种基于布洛赫表面波的铌酸锂光学传感器及方法。
背景技术
光学折射率传感器是由光学、固体物理学、微电子科学和材料学等多学科交叉的领域，具体是通过改变待测样品折射率来检测样品的浓度和组织成分，是把检测样品中的相关量在传感器中通过特异性响应，转化成变化的光信号，并将光信号检测出来，用于反映被测物体变化量。此传感器具有快速检测、高灵敏度和抗干扰能力强的特点，在食品安全、医疗诊断、环境检测和国防技术上有着广泛的应用。
近几十年来，基于微纳光学表面波的免标记光学检测方法获得了长足的发展，目前，市场上出现应用最多的是基于表面等离子体共振(surface plasmonresonance,SPR)的传感器。SPR是基于表面等离子波(surface plasmonwave,SPW)的一种物理光学效应，通常产生于金属层和介电层之间，当入射光的波矢与SPW的波矢相匹配时，引发了金属薄膜内自由电子产生共振，即SPR。例如中国专利CN205120558U公开了一种新型表面等离激元共振生物传感器，其由棱镜、纳米颗粒阵列、二氧化硅薄膜和二氧化硅膜外沉积单层石墨烯组成。纳米颗粒阵列由聚苯乙烯纳米球外覆金属薄膜组成，位置设置在棱镜下方与二氧化硅薄膜上方。采用多层膜结构的生物传感器，入射光透过棱镜在纳米颗粒阵列金属膜和二氧化硅薄膜之间产生SPW效应。中国专利CN102262069A公开了一种棱镜耦合式表面等离子体共振生物传感，组成部分包括光学棱镜内金属膜层、外金属膜层以及生物组分层，内外金属膜层可采用相同的金属或不同金属且厚度之和在20-80nm之间来满足表面等离激元的激发要求。
SPR技术虽然在生活中有广泛的用处，但其还是存在着不足之处。随着对SPW技术的深入研究，近些年来对布洛赫表面波(bloch surface wave,BSW)的研究也越来越受关注，成为一种有望代替SPR的技术。BSW其原理是基于传统物理光学，利用不同的折射率介质界面的衰减全内反射产生的光学共振现象，来检测不同分析物的含量，物体间相互作用中某些物理量的变化。相比于只能通过TM(P极化)偏振激发的SPW技术，BSW比SPR多了一种激发形态，即TE(s极化)偏振激发。BSW是一种在周期性电介质交替层的光子带隙中的一种电磁波模式，由于在周期性电介质中没有金属的存在，故BSW的介质损耗比SPR要小的多，所以能得要比SPR具有更窄和更深的共振dip峰，从传感器灵敏度来说优于SPR。例如中国专利CN107064078A公布了基于BSW的光学传感器及光学检测方法，其特征在于在光学基底表面外覆至少一层非金属薄膜，最外层非金属膜外覆至少一层石墨烯，通过多层膜结构激发BSW，并且在石墨烯处形成足够的场强，使石墨烯能够强烈的吸收BSW频率的光波，通过改变入射角度使得最靠近石墨烯的一层非金属膜处获得BSW的激发效果。陈颖等(带多孔硅表面缺陷腔的半无限光子晶体Tamm态及其折射率传感机理，物理学报，2014)提出了基于多孔硅表面缺陷光子晶体Tamm态的折射率传感器结构，但是该传感器灵敏度较低，仅为546.67nm/RIU。Jiawei Cong(Sub-nanometer linewidth perfect absorption in visible bandinduced by Bloch surface wave，OpticalMaterials，2016)提出了光子晶体与银薄层复合结构激发BSW，但其传感灵敏度也只有263nm/RIU。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种基于布洛赫表面波的铌酸锂光学传感器及方法，本发明所述传感器为含吸收介质铌酸锂的布洛赫表面波光子晶体折射率传感器，其结构包括光学棱镜、周期性光子晶体和铌酸锂吸光介质层。其中，周期性光子晶体由高折射率材料H和低折射率材料L构成。本发明通过多层膜结构激发BSW，并在吸光介质层处形成足够强的电场，使铌酸锂能够强烈的吸收BSW频率的光波，从而在反射光谱中形成共振峰。建立共振峰波长或方位角与待测样品折射率的关系，通过检测共振峰波长或角度的漂移来实现对待测样本折射率的动态检测和定性分析。本发明所述传感器制作简单，能实时和可重复性检测待测物，是一种具有高灵敏度和高品质因子的光子晶体折射率传感器。
本发明的技术方案是：一种基于布洛赫表面波的铌酸锂光学传感器，由下而上的依次包括光学棱镜、周期性光子晶体和铌酸锂吸光介质层；所述周期性光子晶体由高折射率材料和低折射率材料交替N个周期排列而成。
上述方案中，所述周期性光子晶体中，所述高折射率材料的折射率nH＝2.15，厚度dH＝151nm。
上述方案中，所述周期性光子晶体中，所述低折射率材料的折射率为nL＝1.32，厚度dL＝246nm。
上述方案中，所述周期性光子晶体的周期数N＝9。
上述方案中，所述光学棱镜为BK7棱镜，折射率为nP＝1.431。
上述方案中，所述铌酸锂吸收介质的层厚度hTop＝55nm。
一种根据所述基于布洛赫表面波的铌酸锂光学传感器的波长灵敏度检测方法，包括以下步骤：
入射光信号波长λ0范围为1100～1350nm，采用TE波以固定入射角θ＝44.97°、方位角
Figure BDA0002752766060000031
从光学棱镜入射，经过周期性光子晶体共同作用下激发布洛赫表面波，到达最外层铌酸锂吸光介质层，形成强的电场，使得铌酸锂吸光介质层能够强烈的吸收布洛赫表面波的光波，得到反射谱波长与待检测物折射率关系。
一种根据所述基于布洛赫表面波的铌酸锂光学传感器的方位角灵敏度检测方法，包括以下步骤：
所述方位角
Figure BDA0002752766060000032
范围为0～10°，采用TE波以固定入射角θ＝44.97°、入射波长λ0＝1237nm，光波从光学棱镜入射，经过周期性光子晶体共同作用下激发布洛赫表面波，到达最外层铌酸锂吸光介质层，形成强的电场，使得铌酸锂吸光介质层能够强烈的吸收布洛赫表面波的光波，得到反射谱方位角与待检测物折射率关系。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明所述传感器为含吸收介质铌酸锂的布洛赫表面波光子晶体折射率传感器，其结构包括光学棱镜、周期性光子晶体和铌酸锂吸光介质层。其中，周期性光子晶体由高折射率材料H和低折射率材料L构成。吸光介质层中引入铌酸锂作为吸光材料，可以实现铌酸锂材料对于基于BSW的特定频率电磁波的强烈吸收，即此时该频率电磁波的反射率很小，甚至可以实现对该频率电磁波的完全吸收，即对应反射率等于零。本发明通过多层膜结构激发BSW，并在吸光介质层处形成足够强的电场，使铌酸锂能够强烈的吸收BSW频率的光波，从而在反射光谱中形成共振峰。建立共振峰波长或方位角与待测样品折射率的关系，通过检测共振峰波长或角度的漂移来实现对待测样本折射率的动态检测和定性分析。本发明所述传感器制作简单，能实时和可重复性检测待测物，而且具有高灵敏度和高品质因子的光子晶体折射率。
附图说明
图1为本发明一实施方式的基于布洛赫表面波的铌酸锂光学传感器3D结构示意图(倒置)。
图2为本发明一实施方式的基于布洛赫表面波的铌酸锂光学传感器x-z平面结构示意图。
图3为本发明一实施方式的器件实现Bloch表面波传感时，整体装置的E y场强分布。
图4为本发明一实施方式的在波长范围为1100～1350nm内，待测物为空气，棱镜入射角为44.97°时，方位角为0°时，改变空气折射率的情况下，TE偏振电磁波，随波长的变化激发BSW的情况。
图5为本发明一实施方式的在波长范围为1100～1350nm内，待测物为空气，棱镜入射角为44.97°时，入射波长为1256nm时，改变空气折射率的情况下，TE偏振电磁波，随方位角的变化激发BSW的情况。
图6为本发明一实施方式的基于布洛赫表面波的铌酸锂光学传感器中指定位置的分析物的共振波长(或角度)和折射率之间的线性回归分析。
其中：1.BK7棱镜；2.周期性光子晶体；3.铌酸锂吸光介质层；4.待测样品。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1和2所示为所述基于布洛赫表面波的铌酸锂光学传感器的一种较佳实施方式，所述基于布洛赫表面波的铌酸锂光学传感器，由下而上的依次包括光学棱镜、周期性光子晶体2和铌酸锂吸光介质层3；所述周期性光子晶体2由高折射率材料和低折射率材料交替N个周期排列而成。优选的，高折射率材料为二氧化钛，低折射率材料为二氧化硅。
所述周期性光子晶体2中，所述高折射率材料的折射率nH＝2.15，厚度dH＝151nm。
所述周期性光子晶体2中，所述低折射率材料的折射率为nL＝1.32，厚度dL＝246nm。
所述周期性光子晶体2的周期数N＝9。
所述光学棱镜为BK7棱镜1，折射率为nP＝1.431。
所述铌酸锂吸收介质3的层厚度hTop＝55nm。
铌酸锂作为一种低损耗高折射率材料且在宽波长(350nm～5200nm)内是透明的，作为一种非线性双折射率材料有着良好的压电、铁电和热点效应。在周期性光子晶体2中引入铌酸锂吸光介质层3，破坏了光子晶体结构的规律性，形成光子晶体谐振腔。采用Kretschmann棱镜耦合结构，入射光通过BK7棱镜1耦合到周期性光子晶体2中，并使光局域到谐振腔内，通过设计铌酸锂(LiNbO3)吸光介质层3使得满足谐振条件的光波长被逐步吸收并形成震荡，使之出现尖锐的共振dip峰，从而建立波长或方位角与光反射率的关系。通过改变待测样品的折射率，共振dip峰出现的波长位置也随之改变，通过检测共振峰波长或共振峰方位角漂移来实现对待测样品折射率的动态检测。
图1为方便表示方位角(-x轴和入射光在x-y平面上的投影之间的夹角)的概念特意将构件倒置剖析，耦合棱镜折射率np＝1.431。将铌酸锂吸光介质层3沉积在周期性光子晶体2上，周期性光子晶体2由高折射率材料H(TiO2)和低折射率材料L(SiO2)交替叠加排列而成，周期数N＝9，可通过电子束蒸发、磁控溅射等工艺镀在BK7棱镜1的表面。通入不同浓度的气体为待测样品，对其进行检测分析。气体浓度的变化具体表现在折射率的变化，当折射率改变时，共振dip峰的波长或方位角将会发生漂移。由此，可以建立待测样品折射率和共振dip峰波长或方位角之间的模型关系，对待测样品进行动态监测和定性分析。
图3所示的电场分布图可以用来更好的理解空气与一维光子晶体晶体缺陷层之间界面处BSW模式的激发。具体分析了在λ0＝1256nm和θ＝44.97°处的光场分布，发现在最上层LiNbO3与空气的界面附近，光(电)场的幅值最大。随着远离LiNbO3/空气界面，光场在介质内产生震荡型的衰减，这种光场分布是典型的Bloch表面波模式的光场分布，从而证明该多层膜在λ0＝1256nm处被44.97°入射的TE模式激发，产生了Bloch表面波。
实施例1
本实例中，周期性光子晶体2中的高折射率材料选用nH＝2.15的二氧化钛(TiO2)，低折射率材料选用折射率为nL＝1.32的二氧化硅(SiO2)，周期性光子晶体2由二氧化钛和二氧化硅周期排列而成，厚度分别为dH＝151nm和dL＝246nm，周期性N＝9。缺陷层由厚度为hTop＝55nm的铌酸锂吸收介质组成。其器件整体结构为：BK7棱镜—一维光子晶体—铌酸锂缺陷层—待测样品层。在此案例中我们对外部介质折射率围绕其初始值nair＝1.001(空气)的变化进行了检测分析，将气体通入通过微流装置流经传感器表面。采用波长询问法，即固定入射角度44.97°和方位角0°通过棱镜入射到光子晶体中，入射波长范围在1250～1270nm。缺陷峰漂移特性图如图4示，由于空气折射率的升高，缺陷层发生了明显的红移。计算可得该传感器气体测量波长灵敏度S＝1522nm/RIU，且如图6所示，对比陈颖和Jiawei Cong所设计的传感器，灵敏度有了巨大提升，本发明所述传感器在此折射率区间波长显示出良好的线性度，说明该传感器有良好的光谱反应特性，能够实现对样本的高精度测量。
实施例2
本实例中，周期性光子晶体2中的高折射率材料H选用nH＝2.15的二氧化钛(TiO2)，低折射率材料L选用折射率为nL＝1.32的二氧化硅(SiO2)，周期性光子晶体2由二氧化钛和二氧化硅周期排列而成，厚度分别为dH＝151nm和dL＝246nm，周期性N＝9。缺陷层由厚度为hTop＝55nm的铌酸锂吸收介质组成。其器件整体结构为：BK7棱镜—一维光子晶体—铌酸锂缺陷层—待测样品层。在此案例中我们对外部介质折射率围绕其初始值nair＝1.001(空气)的变化进行了检测分析，将气体通入通过微流装置流经传感器表面。采用方位角询问法，即固定入射角度为44.97°通过棱镜入射到光子晶体中，入射方位角在0～10°，入射波长为1237nm。缺陷峰漂移特性图如图5所示，由于空气折射率的升高，缺陷层发生了明显的红移。首次在棱镜结构中实现了方位角灵敏度的计算，计算可得该传感器气体测量方位角灵敏度S＝646°/RIU，且如图6所示，该传感器在此区间方位角显示出良好的线性度，说明该传感器有良好的光谱反应特性，能够实现对样本的高精度测量。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于布洛赫表面波的铌酸锂光学传感器，其特征在于，由下而上的依次包括光学棱镜、周期性光子晶体(2)和铌酸锂吸光介质层(3)；所述周期性光子晶体(2)由高折射率材料和低折射率材料交替N个周期排列而成。
2.根据权利要求1所述的基于布洛赫表面波的铌酸锂光学传感器，其特征在于，所述周期性光子晶体(2)中，所述高折射率材料的折射率nH＝2.15，厚度dH＝151nm。
3.根据权利要求1所述的基于布洛赫表面波的铌酸锂光学传感器，其特征在于，所述周期性光子晶体(2)中，所述低折射率材料的折射率为nL＝1.32，厚度dL＝246nm。
4.根据权利要求1所述的基于布洛赫表面波的铌酸锂光学传感器，其特征在于，所述周期性光子晶体(2)的周期数N＝9。
5.根据权利要求1所述的基于布洛赫表面波的铌酸锂光学传感器，其特征在于，所述光学棱镜为BK7棱镜(1)，折射率为nP＝1.431。
6.根据权利要求1所述的基于布洛赫表面波的铌酸锂光学传感器，其特征在于，所述铌酸锂吸收介质(3)的层厚度hTop＝55nm。
7.一种根据权利要求1-6任意一种所述基于布洛赫表面波的铌酸锂光学传感器的波长灵敏度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
入射光信号波长λ0范围为1100～1350nm，采用TE波以固定入射角θ＝44.97°、方位角
Figure FDA0002752766050000011
从光学棱镜入射，经过周期性光子晶体(2)共同作用下激发布洛赫表面波，到达最外层铌酸锂吸光介质层(3)，形成强的电场，使得铌酸锂吸光介质层(3)能够强烈的吸收布洛赫表面波的光波，得到反射谱波长与待检测物折射率关系，计算得到灵敏度。
8.一种根据权利要求1-6任意一种所述基于布洛赫表面波的铌酸锂光学传感器的方位角灵敏度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
所述方位角
Figure FDA0002752766050000012
范围为0～10°，采用TE波以固定入射角θ＝44.97°、入射波长λ0＝1237nm，光波从光学棱镜入射，经过周期性光子晶体(2)共同作用下激发布洛赫表面波，到达最外层铌酸锂吸光介质层(3)，形成强的电场，使得铌酸锂吸光介质层(3)能够强烈的吸收布洛赫表面波的光波，得到反射谱方位角与待检测物折射率关系，计算得到灵敏度。
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