CN207074169U

CN207074169U - 一种用于fano共振的耦合装置及液体传感器

Info

Publication number: CN207074169U
Application number: CN201720639039.7U
Authority: CN
Inventors: 郑改革; 王楠; 卜令兵
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2017-06-05
Filing date: 2017-06-05
Publication date: 2018-03-06
Anticipated expiration: 2027-06-05

Abstract

本实用新型公开了一种用于fano共振的耦合装置及采用该耦合装置的液体传感器。该耦合装置采用镀有金属膜的棱镜，棱镜上镀有的金属膜从内至外依次为Ag膜、Al₂O₃膜、SiO₂膜和ZrO₂膜。本实用新型利用耦合装置制备得到的液体传感器，基于fano共振，精度高，采集速度快，时间分辨率高，同时装置结构紧凑、易于控制和调节，稳定性高。本实用新型液体传感器具有很高的灵敏度，灵敏度可达22°/RIU。

Description

一种用于fano共振的耦合装置及液体传感器

技术领域

本实用新型属于光学领域，具体涉及一种基于fano共振进行物质浓度检测的装置。

背景技术

随着现代测试技术的进步，在系统运行过程中不仅要能进行在线动态测量、实时监测处理，而且要求器件几何尺寸尽量变小。但受衍射极限限制的传统光学器件尺寸限制了集成光学的快速发展。而fano共振可以突破衍射极限，实现纳米尺度的光学和光电子器件。表面等离子体波是一种在金属/电介质界面上激发并耦合电荷密度起伏的电磁振荡，它是沿着金属/电介质表面传播的表面电磁波，具有近场增强、表面受限、短波长等独特的特性，相应产生的表面等离子效应如透射增强现象、聚束效应、共振增强效应等在纳米光子学的研究中扮演着重要角色。

表面等离子波和波导耦合可以产生 fano共振。基于fano共振的传感器，是基于SPR的传感器但比传统的SPR传感器具有更高的灵敏度，且同样具有检测过程快捷、能够获得实时数据、操作方便、无须标记的优点。现有基于fano共振的传感器，通过棱镜表面镀有银膜，通过P偏振光在银膜/棱镜界面上的发生fano共振，通过待测物质对界面的fano共振影响，进行浓度检测。

发明内容

本实用新型的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种能够进一步提高液体浓度测定灵敏度的装置。

上述目的，本实用新型提供了一种用于fano共振的耦合装置，该耦合装置采用镀有金属膜的棱镜，棱镜上镀有的金属膜从内至外依次为Ag膜、Al₂O₃膜、SiO₂膜和ZrO₂膜。

Ag膜的厚度为0.04nm；Al₂O₃膜的厚度为0.01nm；SiO₂膜的厚度为0.8nm；ZrO₂膜的厚度为0.12nm。

棱镜采用SF11棱镜，呈等边三棱柱，边长为3cm。

本实用新型还提供了采用上述耦合装置的液体传感器，该液体传感器包括激光发射装置、耦合平台、液体进样装置、信号采集和处理装置、上述耦合装置：耦合装置置于液体进样装置内；液体进样装置放置于耦合平台上；激光发射装置发出两束P偏振光，一束直接进入信号采集和处理装置中，另一束经耦合装置反射后进入信号采集和处理装置中。

上述激光发射装置包括激光器、扩束镜、偏振片、半波片、分束镜；激光器发射激光依次经扩束镜、偏振片、半波片和分束镜形成两束P偏振光，分别进入信号采集和处理装置、耦合平台。

其中，激光器采用632.8nm的 He-Ne激光器；扩束镜采用GBE10-A；偏振片采用LPVISB05；半波片采用WPH10E-633；分束镜采用BSN04。

耦合平台包括转动平台R1、转动平台R2；信号采集和处理装置包括控制装置和两组信号采集装置；每组信号采集装置分别包括会聚镜、光电探测器和AD采集卡；入射的光信号依次通过会聚镜、光电探测器进入AD采集卡；转动平台R1上放置进样装置；转动平台R2上放置其中一组信号采集装置；控制装置分别与各组信号采集装置中的AD采集卡相连。

转动平台R1、转动平台R2的转轴位于同一直线上；；转动平台R2设置在转动平台R1上方；转动平台R1向外延伸设有转臂；其中一组信号采集装置设置在转动平台R1的转臂上。

耦合平台还包括平台支架；平台支架包括主支架和垂直于主支架上下平行设置的两层台阶面；转动平台R2、转动平台R1为电动转盘，依次设于上、下两层台阶面处，且转轴位于同一直线上；所述控制装置通过电机控制器分别与两个转动平台相连。

液体进样装置采用样品池。

本实用新型相比现有技术具有以下优点：

本实用新型耦合装置采用表面等离子体结构Ag/Al₂O₃作为界面，为表面等离子体波存在提供条件，同时利用波导结构SiO₂膜产生波导；Al₂O₃使Ag膜层和SiO₂膜层容易粘附并且增强共振效应；并增加ZrO₂膜进一步增强共振效应。使得耦合装置整体对液体浓度的变化更加灵敏。

本实用新型利用耦合装置制备得到的液体传感器，基于fano共振，精度高，采集速度快，时间分辨率高，同时装置结构紧凑、易于控制和调节，稳定性高。本实用新型液体传感器具有很高的灵敏度，灵敏度可达22°/RIU。

附图说明

图1为本实用新型耦合装置的结构示意图；

图2为本实用新型液体传感器的结构示意图；

图3为图2中转动平台的连接示意图；

图4为反射光强随角度的变化曲线；

图5为共振角随折射率的变化曲线。

图中，L-激光器，BE-扩束镜， P-偏振片，HWP-半波片，BS-分束镜，R1、R2-转动平台、F-会聚镜，D1、D2-光电探测器，T-载物台，S-耦合装置，CON-RS232串口通信，1-平台支架，11-台阶面。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细说明。

如图1所示，耦合装置包括棱镜1、其上依次镀有Ag膜2、Al₂O₃膜3、SiO₂膜4和ZrO₂膜5（通过磁控溅射方法）。Ag膜2、Al₂O₃膜3、SiO₂膜4和ZrO₂膜5的厚度分别为：0.04nm、0.01nm、0.8nm和0.12nm。 Ag/Al₂O₃界面构成表面等离子体结构，SiO₂为波导结构。棱镜1为 SF11棱镜，采用等边三棱柱，边长为3cm，使入射光波获得较高波矢，达到激发fano共振的条件。表面等离子体结构为表面等离子体波存在提供条件。波导结构产生波导；Al₂O₃膜3使Ag膜2和SiO₂膜4容易粘附并且增强共振效应；ZrO₂进一步增强共振效应。

如图2所示，基于fano共振的液体传感器，包括激光发射模块、转动平台模块信号采集和处理模块、耦合装置以及液体进样装置。

液体进样装置采用样品池，内设上述耦合装置。

激光发射模块包括632.8nm的He-Ne激光器L、扩束镜BE、偏振片P、半波片HWP、分束镜BS， He-Ne激光器L产生632.8nm的激光。扩束镜BE采用GBE10-A，压缩激光的发散角。偏振片P采用LPVISB05，将激光转变成线偏振光。半波片HWP采用WPH10E-633，改变激光的偏振态以便产生P偏振光。分束镜BS采用BSN04 ，将偏振光分为两束，为接收光路提供参考光。

转动平台模块包括两个转轴共直线的转动平台R1、R2、电机控制器和载物台T。转动平台R1、R2采用电动转盘固定在平台支架上。如图3所示，平台支架1包括主支架和垂直于主支架上下平行设置的两层台阶面11；转动平台R2、转动平台R1依次设于上、下两层台阶面11处，且转轴位于同一直线上。转动平台R2位于上层台阶面处，其上固定载物台T。转动平台R1位于下层台阶面处，向外延伸设有转臂。载物台T上设置液体进样装置和耦合装置。转动平台 R2使得耦合装置转动，转动平台R1使得接收fano共振反射光的探测器转动。通过两个转动平台R1、R2同轴设置，方便对其转动角度进行控制，利于调整光电探测器接收反射光。通过RS232串口控制转动平台R1转动的角度（即探测器转动的角度）为转动平台R2转动角度（即耦合装置转动的角度）的2倍，其中角度分辨率为0.001°。

信号采集和处理模块包括控制系统和两组信号采集装置。一组信号采集装置安装设于转动平台R1的转臂上，控制系统通过RS-232串口CON控制转动平台R1的旋转调节接收反射光。另一组信号采集装置设置在激光发射模块的安装平台上，接收参考光。每组信号采集装置包括光电探测器D1（或D2）、会聚镜F、以及AD采集卡。会聚镜F是将反射的激光或参考光进行汇聚以便被探测器接收，光电探测器D1（或D2）采用PDA10，其作用将光信号转变为电信号， AD采集卡采用NI的AD采集卡，其作用采集和记录以及处理电信号。每组信号采集装置得到的电信号发送给PC机（控制系统）进行数据处理分析。

使用时，按照以下步骤进行：

1、调整液体传感器的各部件位置：

1）632.8nm脉冲激光器发射激光脉冲，经扩束镜后压缩发散角；

2）旋转偏振片使得偏振片后面光强最大，这时偏振片的透振方向平行于发射激光的偏振方向；

3）旋转半波片改变偏振光的方向得到p偏振光；

4）旋转分束镜，使信号光经耦合器件入射到金属/电介质的交界面上，固定分束镜。

5）移动光电探测器D1，使光电探测器D1接收到参考光，固定光电探测器D1。

6）调整转动平台R1、R2的转轴位置，使信号光经过转轴中心。

2、首先使用已知浓度的待测物进行标定，标定步骤如下：

1）将已知浓度的待测物质通入样品池，用于测量该浓度待测物下的等离子共振曲线；

2）信号光经过转轴中心，控制系统控制旋转转动平台R2，改变入射角，同时旋转转动平台R1，使光电探测器D2接收到反射光，测出反射光反射率与入射角变化的曲线，如图4所示。

3）改变待测物质的浓度，旋转转动平台R2，改变入射角，同时旋转转动平台R1，使光电探测器D2接收到反射光，测出反射光强度与入射角变化的曲线，如图5虚线所示。

4）更换待测物质浓度，重复以上步骤，即可得到共振角中心位置与待测物质浓度的关系。

3、测量过程：

1)将样品通入样品池；

2)控制系统通过电机控制器旋转转动平台R1、R2扫描共振吸收峰，获得峰的位置；

3)根据标定的位置，获得样品的浓度；

4）将样品的浓度曲线显示在计算机上，并进行记录和存储。

Claims

1.一种用于fano共振的耦合装置，该耦合装置采用镀有金属膜的棱镜，其特征在于：所述棱镜上镀有的金属膜从内至外依次为Ag膜、Al₂O₃膜、SiO₂膜和ZrO₂膜。

2.根据权利要求1所述的耦合装置，其特征在于：所述Ag膜的厚度为0.04nm；Al₂O₃膜的厚度为0.01nm；SiO₂膜的厚度为0.8nm；ZrO₂膜的厚度为0.12nm。

3.根据权利要求2所述的耦合装置，其特征在于：所述棱镜采用SF11棱镜，呈等边三棱柱，边长为3cm。

4.一种采用权利要求1至3任一所述耦合装置的液体传感器，其特征在于：所述液体传感器包括激光发射装置、耦合平台、液体进样装置、信号采集和处理装置、所述耦合装置：所述耦合装置置于所述液体进样装置内；所述液体进样装置放置于所述耦合平台上；所述激光发射装置发出两束P偏振光，一束直接进入所述信号采集和处理装置中，另一束经耦合装置反射后进入所述信号采集和处理装置中。

5.根据权利要求4所述的液体传感器，其特征在于：所述激光发射装置包括激光器、扩束镜、偏振片、半波片、分束镜；所述激光器发射激光依次经扩束镜、偏振片、半波片和分束镜形成两束P偏振光，分别进入所述信号采集和处理装置、耦合平台。

6.根据权利要求5所述的液体传感器，其特征在于：所述激光器采用632.8nm的 He-Ne激光器；所述扩束镜采用GBE10-A；所述偏振片采用LPVISB05；所述半波片采用WPH10E-633；所述分束镜采用BSN04。

7.根据权利要求4所述的液体传感器，其特征在于：所述耦合平台包括转动平台R1、转动平台R2；所述信号采集和处理装置包括控制装置和两组信号采集装置；每组信号采集装置分别包括会聚镜、光电探测器和AD采集卡；入射的光信号依次通过会聚镜、光电探测器进入AD采集卡；所述转动平台R1上放置所述液体进样装置；所述转动平台R2上放置其中一组信号采集装置；所述控制装置分别与各组信号采集装置中的AD采集卡相连。

8.根据权利要求7所述的液体传感器，其特征在于：所述转动平台R1、转动平台R2的转轴位于同一直线上；转动平台R2设置在转动平台R1上方；转动平台R1向外延伸设有转臂；转动平台R1的转臂上设有上述信号采集装置。

9.根据权利要求8所述的液体传感器，其特征在于：所述耦合平台还包括平台支架；所述平台支架包括主支架和垂直于主支架上下平行设置的两层台阶面；所述转动平台R2、转动平台R1为电动转盘，依次设于上、下两层台阶面处，且转轴位于同一直线上；所述控制装置通过电机控制器分别与两个转动平台相连。

10.根据权利要求7所述的液体传感器，其特征在于：所述液体进样装置采用样品池。