CN114136846B - 一种基于布拉格光栅的纳米粒子探测谐振腔结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于布拉格光栅的纳米粒子探测谐振腔结构，由微环谐振腔、布拉格光栅腔和耦合锥形光纤组成；布拉格光栅腔通过光栅制作工艺制作到微环谐振腔中，耦合锥形光纤通过调节高精度的位移平台与微环谐振腔的距离将入射光耦合到微环谐振腔中；微环谐振腔是以二氧化硅为主体的环形谐振腔；布拉格光栅腔是由两个布拉格光栅和间隙组成，间隙位于在两个布拉格光栅之间；布拉格光栅腔的两端反射率不同；耦合锥形光纤由光纤通过热熔融法拉伸制作而成，耦合锥形光纤一端将入射光束引入微环谐振腔，另一端将光束从微环谐振腔输出到光电探测器。本发明通过一种新颖的测试光学模式强度信号的方法可显著提高芯片级纳米粒子探测谐振腔的最小探测极限。
Description
(一)技术领域
本发明属于纳米粒子探测技术领域，涉及高灵敏度的纳米粒子探测谐振腔结构，具体为一种基于布拉格光栅的纳米粒子探测谐振腔结构。
(二)背景技术
纳米粒子通常是指粒度在1～100nm之间的微观颗粒，包括空气中纳米污染物、生物大分子、人造纳米粒子等。纳米粒子的检测对于大气污染监测、生命科学研究及工程控制等领域具有十分重要的战略意义。近年来，尤其在生命科学领域，对病毒、DNA和蛋白质等生物分子的高灵敏和无标记检测对于实施下一代临床诊断分析十分重要。在芯片级检测设备上的分析生物分子，将取代目前劳动密集型和昂贵的实验室测试，微型芯片级检测设备最终有望拥有单分子检测能力。光学谐振腔是一种能够将光长时间限制在小模式体积内的光学器件，极大增强了光与物质的相互作用。纳米粒子进入谐振腔模式体积或附在谐振腔表面时，扰动了谐振腔的光学性质，根据不同的光学性质变化可得到纳米粒子的信息。在检测小尺寸纳米粒子时，由于芯片级光学谐振腔内光损耗较大，导致探测器件输出端口信号强度的变化量小而被噪声湮没，限制了芯片级纳米粒子探测谐振腔的探测极限。通常会通过引入外部增益降低腔内损耗来解决这一问题，但是微腔中引入增益加大了制备难度的同时会导致自发辐射噪声。由此出现一些新的解决方法比如基于奇异点的谐振腔结构去增强模式劈裂，但是这类方法需要纳米粒子达到一定的尺寸，才能使得透射谱上频率劈裂可分辨，因此这种方法也存在一定的局限性。
如何通过新的传感结构和探测方法，进一步提升纳米粒子探测谐振腔的最小可探测极限一直是亟待解决的瓶颈问题。
(三)发明内容
1、目的：本发明的目的在于针对光学谐振腔纳米粒子最小可探测极限不高的问题，提供了一种基于布拉格光栅的纳米粒子探测谐振腔结构，通过监测模式强度变化，可以增强纳米粒子探测谐振腔的最小可探测极限。
2、技术方案：
本发明是针对纳米粒子探测环形谐振腔的一种改进，为一种基于布拉格光栅的纳米粒子探测谐振腔结构，它是由微环谐振腔、布拉格光栅腔和耦合锥形光纤组成(如图1)；它们之间的关系是两个布拉格光栅及间隙组成布拉格光栅腔，通过现有的光栅制作工艺将所述的布拉格光栅腔制作到微环谐振腔中，通过高精度的位移平台调节耦合锥形光纤与微环谐振腔的距离将入射光耦合到微环谐振腔中。
所述微环谐振腔是以二氧化硅为主体的环形谐振腔；输入到微环谐振腔中光的中心波长λ范围为1500～1600nm，腔的半径为500～800倍的中心波长。
所述布拉格光栅腔是由两个布拉格光栅和间隙组成(如图2)，所述间隙的长度为半个中心波长的整数倍，这可以引起相移和布拉格光栅腔两端的反射率改变。
所述的布拉格光栅腔的两端反射率不同，该反射率是由两个布拉格光栅的反射率及中间间隙的长度计算得到。所设定的两个布拉格光栅的反射率必须不同，从而使得布拉格光栅腔两端的反射率不同。
所述耦合锥形光纤由光纤通过热熔融法拉伸制作而成，入射光束从锥形光纤一端引入微环谐振腔，微环谐振腔中的光束从锥形光纤另一端输出到光电探测器。通过调节锥形光纤与微环谐振腔之间的距离使耦合率为1×108～1×109Hz。
本发明为一种基于布拉格光栅的纳米粒子探测谐振腔结构，入射光束通过锥形光纤耦合到微环谐振腔中并在谐振腔中形成顺时针(CW)光学模式，由于布拉格光栅腔存在，CW光学模式部分反射并激发逆时针(CCW)光学模式。因为布拉格光栅腔两端反射率不同导致对CW和CCW光学模式的反射率不同，从而形成CW和CCW光学模式之间的单向耦合。由于光学模式之间的单向耦合，两个光学模式分别以明亮和黑暗模式存在，透射谱上无法展现出黑暗模式，只有明亮模式的单峰。当纳米粒子靠近微环谐振腔时，纳米粒子的散射引起两个光学模式之间耦合的改变，透射谱上黑暗模式出现导致模式强度的强烈变化，这种光学模式强度反映在光电探测器的功率上，通过监测纳米粒子引起的光电探测器中功率变化可得到纳米粒子的信息。
3、优点及功效：
本发明一种基于布拉格光栅的纳米粒子探测谐振腔结构，与相同尺寸下纳米粒子探测的传统谐振腔和基于奇异点的谐振腔的模式劈裂方法相比，通过一种新颖的测试模式强度变化的方法可显著提高纳米粒子的最小可探测极限。
(四)附图说明
图1为本发明所述的基于布拉格光栅的纳米粒子探测谐振腔结构示意图；
图中1-微环谐振腔 2-布拉格光栅腔 3-耦合锥形光纤；
图2为图1所示布拉格光栅腔示意图，图中21、22-布拉格光栅，23-间隙；
图3为本发明所述的基于布拉格光栅的纳米粒子探测谐振腔的透射光信号与纳米粒子扰动强度关系示意图；
图4为本发明所述的基于布拉格光栅的纳米粒子探测谐振腔在不同反射率下最小可探测极限。
(五)具体实施方式
实施例：
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
一种基于布拉格光栅的纳米粒子探测谐振腔结构，如图1所示，它是由微环谐振腔1、布拉格光栅腔2和耦合锥形光纤3组成；它们之间的关系是微环谐振腔1通过现有的光栅制作工艺被紫外曝光引起其部分区域折射率改变形成布拉格光栅腔2，耦合锥形光纤3通过调节高精度的位移平台与微环谐振腔的距离将入射光耦合到微环谐振腔中。
所述微环谐振腔1是以二氧化硅为主体的环形谐振腔，输入到微环谐振腔中光的中心波长λ为1550nm，腔的半径为500倍的中心波长；
如图2所示，所述布拉格光栅腔2是由布拉格光栅21、布拉格光栅22和间隙23组成；所述的布拉格光栅21和22的反射率分别为r1＝0.8和r2＝0.796；所述的间隙23的长度l为1个中心波长，该间隙可引起相移和布拉格光栅腔2两端反射率的改变；所述布拉格光栅腔2两端反射率不同，其上端和下端的反射率(R1，R2)由下面两个公式可以计算得出：
其中，k是入射光束的波矢量，a是光在间隙中的传输损耗系数，将r1＝0.8、r2＝0.796、l＝λ、a＝0.995和k＝2π/λ等参数代入公式(1)和(2)中得到布拉格光栅腔2上端和下端的反射率分别为0.022和0；从耦合锥形光纤3耦合进入的入射光束激发顺时针(CW)光学模式，由于布拉格光栅腔2上端发生反射，激发逆时针(CCW)光学模式，CW光学模式耦合到CCW光学模式的耦合率为1.198×109Hz，CCW光学模式遇到布拉格光栅腔2下端不发生反射，所以CCW光学模式耦合到CW光学模式的耦合率为0，从而实现CW光学模式和CCW光学模式之间的单向耦合。
所述耦合锥形光纤3由光纤通过热熔融法拉伸制作而成，入射光束从耦合锥形光纤3一端引入微环谐振腔，微环谐振腔2中的光束从耦合锥形光纤3另一端输出到光电探测器。通过高精度的位移平台调节耦合锥形光纤3与微环谐振腔1之间的距离使耦合率为3.104×108Hz。
当纳米粒子靠近微环谐振腔1时，透射光信号与纳米粒子扰动强度的关系示意图(如图3所示)，图3中左侧谐振峰值强度即为纳米粒子扰动引起的光学模式强度信号，尺寸越大的纳米粒子引起的扰动强度越大。
本发明具体通过一种新颖的测试光学模式强度的方法可显著提高小型化纳米粒子探测谐振腔的灵敏度。与相同尺寸下纳米粒子探测的传统谐振腔和基于奇异点的谐振腔的模式劈裂方法相比，本发明可通过布拉格光栅腔2实现顺时针和逆时针模式的单向耦合，两个光学模式分别以明亮和黑暗模式存在，透射谱上无法展现出黑暗模式，只有明亮模式的单峰。当纳米粒子靠近微环谐振腔1时，纳米粒子的散射引起两个光学模式之间耦合的改变，透射谱上黑暗模式的出现导致模式强度的强烈变化，这种光学模式强度反映在光电探测器的功率上，通过监测纳米粒子引起的光电探测器中功率的变化可得到纳米粒子的信息。本发明所述的基于布拉格光栅的纳米粒子探测结构对于小尺寸纳米粒子具有更高的灵敏度，其探测极限可达到0.92nm(如图4所示)。
Claims (6)
1.一种基于布拉格光栅的纳米粒子探测谐振腔结构，其特征在于：它是由微环谐振腔、布拉格光栅腔和耦合锥形光纤组成；其中，两个布拉格光栅及间隙组成布拉格光栅腔，通过现有的光栅制作工艺将所述的布拉格光栅腔制作到微环谐振腔中，通过高精度的位移平台调节耦合锥形光纤与微环谐振腔的距离将入射光耦合到微环谐振腔中；所述间隙的长度为半个中心波长的整数倍；所设定的两个布拉格光栅的反射率为不同；所述的布拉格光栅腔的两端反射率不同，该反射率是由两个布拉格光栅的反射率及间隙的长度计算得到。
2.根据权利要求1所述的一种基于布拉格光栅的纳米粒子探测谐振腔结构，其特征在于：所述微环谐振腔是以二氧化硅为主体的环形谐振腔。
3.根据权利要求1所述的一种基于布拉格光栅的纳米粒子探测谐振腔结构，其特征在于：输入到所述微环谐振腔中光的中心波长λ范围为1500～1600nm，腔的半径为500～800倍的中心波长。
4.根据权利要求1所述的一种基于布拉格光栅的纳米粒子探测谐振腔结构，其特征在于：所述耦合锥形光纤由光纤通过热熔融法拉伸制作而成，入射光束从锥形光纤一端引入微环谐振腔，微环谐振腔中的光束从锥形光纤另一端输出到光电探测器。
5.根据权利要求1所述的一种基于布拉格光栅的纳米粒子探测谐振腔结构，其特征在于：通过调节所述耦合锥形光纤与微环谐振腔之间的距离使耦合率为1×108～1×109Hz。
6.一种应用权利要求1-5任一项所述的谐振腔结构进行探测的方法，其特征在于：将入射光束通过耦合锥形光纤耦合到微环谐振腔中并在谐振腔中形成顺时针光学模式，顺时针光学模式部分反射并激发逆时针光学模式，进一步形成顺时针和逆时针光学模式之间的单向耦合；两个光学模式分别以明亮和黑暗模式存在，透射谱上展现出明亮模式的单峰；当纳米粒子靠近微环谐振腔时，纳米粒子的散射引起两个光学模式之间耦合的改变，透射谱上黑暗模式出现导致模式强度的强烈变化，这种光学模式强度的强烈变化反映在光电探测器的功率上，通过监测纳米粒子引起的光电探测器中功率变化即可得到纳米粒子的信息。
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