CN214174156U - 一种基于Fano共振的纯食用植物油的检测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于Fano共振的纯食用植物油的检测装置，其特征在于，包括自下而上依次叠接的二氧化硅基底层和银金属层，所述银金属层中设有贯穿银金属层中部的直波导和呈半环形状的谐振腔，半环形状谐振腔和直波导相交构成半环形直波导，在半环形直波导的半环形状谐振腔的傍边设有呈U形状的谐振腔，U形状谐振腔与半环形直波导不相通，在半环形直波导和U形状谐振腔中添加有待检测的纯食用植物油。这种检测装置具有体积小、响应快、检测精度高、制备过程简单，可大规模生产的特点，通过调整检测装置的结构参数，能提高检测装置的灵敏度和品质因子FOM（Figure of Merits，简称FOM），以实现生产、生活检测领域的纳米等级传感要求。
Description
技术领域
本实用新型涉及折射率传感和光传感技术，具体是一种基于Fano共振的纯食用植物油的检测装置。
背景技术
表面等离子体激元(Surface plasmon polaritons,简称SPPs)是通过改变金属表面的亚波长结构实现的一种光波与可迁移的表面电荷之间电磁波，可以支持金属与介质界面传输的表面等离子波，从而传输光能量，且不受衍射极限的限制，因此其在纳米量级操纵光能量发挥着重要的作用。Fano共振源于局部离散状态和连续光谱之间的相消干涉，由于Fano共振光谱中呈现非对称线型，并且小的扰动可以引起剧烈的强度变化和波长漂移，因此成为SPPs传感领域的一个热门研究方向，人们对其进行了大量的研究。
《Photonics Journal》在2015年7卷第3期中登载了“Multiple Fano ResonancesControl in MIM Side-Coupled Cavities Systems”一文，北京邮电大学的Zhao Chen团队报道了采用直波导中心加挡板技术实现Fano共振，通过增加谐振腔实现多重Fano共振，实现了设备设计的灵活性。《Sensors》在2017年第17卷第7期第1494页刊登了“Tunable FanoResonance in Asymmetric MIM Waveguide Structure”一文，中北大学的Xuefeng Zhao团队使用了两个银挡板耦合环形腔的金属-绝缘体-金属（MIM）波导结构，实现了最大灵敏度718nm/RIU的Fano共振结构。然而，目前研究灵敏度依然无法满足应用要求，传感器设备制备复杂，成品率差和不可大规模生产等等问题一直都在影响着检测装置领域的发展。
目前，在MIM波导结构中，Fano共振的连续态背景散射大多在直波导中增加挡板实现，但是这却牺牲了归一化透射强度，影响灵敏度的提高。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对现有技术的不足，而提供一种基于Fano共振的纯食用植物油的检测装置。这种检测装置具有体积小、响应快、检测精度高、制备过程简单，可大规模生产的特点，通过调整检测装置的结构参数，能提高检测装置的灵敏度和品质因子FOM（Figure of Merits，简称FOM），以实现生产、生活检测领域的纳米等级传感要求。
实现本实用新型目的的设计方案是：
一种基于Fano共振的纯食用植物油的检测装置，包括自下而上依次叠接的二氧化硅基底层和银金属层，所述银金属层中设有贯穿银金属层中部的直波导和呈半环形状的谐振腔，半环形谐振腔和直波导相交构成半环形直波导，在半环形直波导的半环形状谐振腔的傍边设有U形状谐振腔，U形状谐振腔与半环形直波导不相通，在半环形直波导和U形状谐振腔中添加有待检测的纯食用植物油，检测装置利用从半环形直波导一侧激发的SPPs实现对待检测的纯食用植物油种类的分析。
所述半环形直波导和U形状谐振腔的几何结构参数均可调，所述几何结构参数分别为半环形直波导的呈环形状部分的环的内外半径、半环形直波导和U形状谐振腔的间距、U形状谐振腔中呈直边部分的长度，改变半环形直波导和U形状谐振腔的几何结构参数，来改变检测装置的透射光谱中共振峰谷的位置，从而进一步实现在相近折射率的纯食用植物油中的高精度检测应用。
所述检测装置使用时入射光从半环形直波导的一侧入射，从半环形直波导的另一侧出射，入射光采用近红外波段光和可见光波段的横磁波。
所述待检测的纯食用植物油为葵花籽油、玉米胚芽油、菜籽油、芝麻油或花生油的一种。
所述检测装置采用归一化透射光谱中Fano共振光谱的波峰谷线性偏移来实现对待检测的纯食用植物油的区分，即当纯食用植物油的种类发生变化，Fano共振的谐振波长会发生相应的线性偏移现象。
所述检测装置的制作过程为：采用气相沉积法在二氧化硅基底层上沉积银金属层，随后将光敏胶均匀的涂抹在银金属层上，从上方射下紫外线经过带预设图案的光罩，再经过透镜光学单元聚集聚焦到银金属层上的光敏胶，银金属层被曝光的部分发生化学反应，经后续被溶解、冲洗就形成所需要的预设图案，之后通过等离子体物理轰击和气体化学反应将未覆盖光敏胶的银金属层刻蚀掉，形成凹槽结构就呈预设图案状即蚀刻出半环形直波导和呈U形状的谐振腔。
本技术方案中装置的归一化透射率为在相同输入端功率的情况下，存在谐振腔时输出端透射的能量和从直波导输出端透射的能量的比值。
入射光从半环形直波导的一侧入射时，由于半环形直波导两侧为金属银，所以SPPs可以被典型的金属-介质-金属结构激发，SPPs沿着带半环形直波导的入射侧向另一侧传播，当入射波长在MIM波导中满足共振条件时，SPPs将进一步往U型谐振腔中传递，出射能量就会减少，但是，当入射波长不满足波导结构的共振条件时，SPPs将直接穿过半环形直波导，出射能量增加，由此形成了Fano共振光谱。
本技术方案中，共振波长以及归一化透射率可以通过调节半环形直波导和U形状谐振腔的几何结构参数来进行相应的定量调节，从而提高的检测的精度，半环形直波导和U形状谐振腔中填充所提出的纯食用植物油，上述五种纯食用植物油的各自折射率范围互相没有交集，因此可以根据某一折射率的归一化透射光谱中Fano波峰谷所处的波长，进而区分所选择的折射率对应于哪一种纯食用植物油，当半环形直波导和U形状谐振腔的几何结构参数固定时，由于填充的纯食用植物油的种类不同，得到的纯食用植物油的折射率也会不同，进而影响谐振波长的变化，通过频谱仪测量Fano共振波峰谷所处的波长，即可精准确定纯食用油的种类。
SPPs具有响应快，精度高和作业区域小的特性，所以本技术方案中检测装置可以用于纳米等级的纯食用植物油检测鉴别等领域。
这种检测装置具有体积小、响应快、检测精度高、制备过程简单，可大规模生产的特点，通过调整检测装置的结构参数，能提高检测装置的灵敏度和品质因子FOM（Figure ofMerits，简称FOM），以实现生产、生活检测领域的纳米等级传感要求。
附图说明
图1为实施例的结构示意图。
图1中： 1.二氧化硅基底层 2.银金属层 3.半环形直波导 4.U形状谐振腔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型内容作进一步阐释，但不是对本实用新型的限定。
实施列：
参照图1，一种基于Fano共振的纯食用植物油的检测装置， 包括自下而上依次叠接的二氧化硅基底层1和银金属层2，所述银金属层2中设有贯穿银金属层2中部的直波导和呈半环形状的谐振腔，半环形谐振腔和直波导相交构成半环形直波导3，在半环形直波导3的半环形状谐振腔的傍边设有U形状谐振腔4，U形状谐振腔4与半环形直波导3不相通，在半环形直波导3和U形状谐振腔4中添加有待检测的纯食用植物油，检测装置利用从半环形直波导一侧激发的SPPs实现对待检测的纯食用植物油种类的分析，本例中，各层长1200nm，宽900nm，厚250nm，半环形直波导3和U形状谐振腔4沟槽深均为250nm。
所述半环形直波导3和U形状谐振腔4的几何结构参数均可调，所述几何结构参数分别为半环形直波导3的呈环形状部分的环的内外半径、半环形直波导3和U形状谐振腔4的间距、U形状谐振腔4中呈直边部分的长度，改变半环形直波导3和U形状谐振腔4的几何结构参数，来改变检测装置的透射光谱中共振峰谷的位置，从而进一步实现在相近折射率的纯食用植物油中的高精度检测应用。
所述检测装置使用时入射光从半环形直波导3的一侧入射，从半环形直波导3的另一侧出射，入射光采用近红外波段光和可见光波段的横磁波，本例中入射光从半环形直波导左侧入射，从右侧出射，本例入射光选用600nm至1400nm波段的横磁波。
所述待检测的纯食用植物油为葵花籽油、玉米胚芽油、菜籽油、芝麻油或花生油的一种。
所述检测装置采用归一化透射光谱中Fano共振光谱的波峰谷线性偏移来实现对待检测的纯食用植物油的区分，即当纯食用植物油的种类发生变化，Fano共振的谐振波长会发生相应的线性偏移现象。
所述检测装置的制作过程为：采用气相沉积法在二氧化硅基底层1上沉积银金属层2，随后将光敏胶均匀的涂抹在银金属层2上，从上方射下紫外线经过带预设图案的光罩，再经过透镜光学单元聚集聚焦到银金属层2上的光敏胶，银金属层2被曝光的部分发生化学反应，经后续被溶解、冲洗就可以形成所需要的预设图案，之后通过等离子体物理轰击和气体化学反应将未覆盖光敏胶的银金属层2刻蚀掉，形成凹槽结构就呈预设图案状即蚀刻出半环形直波导3和呈U形状的谐振腔4。
本例中装置的归一化透射率为在相同输入端功率的情况下，存在谐振腔时输出端透射的能量和从直波导输出端透射的能量的比值。
入射光从半环形直波导3的一侧入射时，由于半环形直波导3两侧为金属银，所以SPPs可以被典型的金属-介质-金属结构激发，SPPs沿着带半环形直波导3的入射侧向另一侧传播，当入射波长在MIM波导中满足共振条件时，SPPs将进一步往U型谐振腔中传递，出射能量就会减少，但是，当入射波长不满足波导结构的共振条件时，SPPs将直接穿过半环形直波导，出射能量增加，由此形成了Fano共振光谱。
本例中，共振波长以及归一化透射率可以通过调节半环形直波导3和U形状谐振腔4的几何结构参数来进行相应的定量调节，从而提高的检测的精度，半环形直波导3和U形状谐振腔4中填充所提出的纯食用植物油，上述五种纯食用植物油的各自折射率范围互相没有交集，因此可以根据某一折射率的归一化透射光谱中Fano波峰谷所处的波长，进而区分所选择的折射率对应于哪一种纯食用植物油，当半环形直波导3和U形状谐振腔4的几何结构参数固定时，由于填充的纯食用植物油的种类不同，得到的纯食用植物油的折射率也会不同，进而影响谐振波长的变化，通过频谱仪测量Fano共振波峰谷所处的波长，即可精准确定纯食用油的种类。
Claims (3)
1.一种基于Fano共振的纯食用植物油的检测装置，其特征在于，包括自下而上依次叠接的二氧化硅基底层和银金属层，所述银金属层中设有贯穿银金属层中部的直波导和呈半环形状的谐振腔，半环形状谐振腔和直波导相交构成半环形直波导，在半环形直波导的半环形状谐振腔的傍边设有呈U形状的谐振腔，U形状谐振腔与半环形直波导不相通，在半环形直波导和U形状谐振腔中添加有待检测的纯食用植物油。
2.根据权利要求1所述的基于Fano共振的纯食用植物油的检测装置，其特征在于，所述半环形直波导和U形状谐振腔的几何结构参数均可调，所述几何结构参数分别为半环形直波导的呈环形状部分的环的内外半径、半环形直波导和U形状谐振腔的间距、U形状谐振腔中呈直边部分的长度。
3.根据权利要求1所述的基于Fano共振的纯食用植物油的检测装置，其特征在于，所述待检测的纯食用植物油为葵花籽油、玉米胚芽油、菜籽油、芝麻油或花生油的一种。
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