[發明專利]一種基于薄包層長周期光纖光柵耦合諧振腔的生物化學傳感器

無效

• 申請號: 200910243117.1
• 申請日: 2009-12-25
• 公開（公告）號: CN101762564A
• 公開（公告）日: 2010-06-30
• 發明（設計）人: 姜瀾;申高;李本業;王素梅;肖海
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41;G01N21/01
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 郭德忠;張利萍

發明領域

本發明屬于微型傳感器領域，尤其涉及光的倏逝波耦合與硅基片微定位，運用薄包層長周期光纖光柵與表面鍍有沸石膜微球諧振腔的耦合，通過諧振波長的偏移量來實現特定分子濃度的檢測。

技術背景

常用的諧振腔結構有盤、環、柱、球等，這些回轉體諧振腔支持高品質因子的回音廊模式(whispering?gallery?modes，簡稱WGMs)。WGMs是一種依賴于形貌共振的模式，微腔的共振模式頻率依賴于諧振腔的尺寸，微腔的模式頻率可以通過改變腔的表面形貌來調諧。通過倏逝場激發諧振腔WGM的波導常用結構有光纖錐、棱鏡、側拋光纖等(Ilchenko?V?S，et?al.Optical?Resonators?WithWhispering-Gallery?Modes--Part?II：Applications.IEEE，Journal?of?Selected?Topicsin?Quantum?Electronics，12(1)：15-32，2006)。也有人提出用長周期光纖光柵(LPFG)來激發諧振腔WGM的，但與棱鏡、側拋光纖方式一樣存在激發效率太低的缺陷。光纖錐(直徑幾個微米)的激發效率很高，但光纖錐很容易脆斷，操作困難，給實際應用帶來了很大的困難。

一般的球/盤/環等諧振腔傳感器，可以實現極低濃度的檢測(HanumegowdaN?M，et?al.Refractometric?sensors?based?on?microsphere?resonators，AppliedPhysics?Letters，87(201107)：1-3，2005)，但是不能實現特定大小分子的檢測。通過在諧振腔表面鍍一層沸石膜可以實現特定大小分子的檢測，所鍍沸石涂層是一種結晶型的鋁硅酸鹽，晶體結構中有規整而均勻的孔道，孔徑為分子直徑的數量級(一般小于1納米)，只允許直徑比孔徑小的分子進入，因此能將混合物中的分子按大小加以篩分。利用這一特性，可將沸石制備成厚度為微米級的薄膜分子篩，被檢測物分子因大小和形狀被有選擇性地吸附，導致沸石孔的光學結構和光學性質改變從而引起諧振腔表面形貌發生變化，例如折射率發生改變，進而導致諧振波長發生偏移，使得其具備制作傳感器的潛能。

激發諧振腔WGMs的波導與諧振腔之間是通過倏逝場發生耦合作用，兩者的最佳耦合間距在一個耦合光波長的長度范圍內，通常都是利用多維精密光纖調整架來調節。這種調節所需儀器精度要求高，難以精確控制兩者之間的實際距離大小，并且操作困難，難以保證波導與諧振腔的赤道面相切，可重復性差。

發明內容

本發明目的是為了克服上述缺陷，實現一種具有選擇性吸收的高靈敏度微生物化學傳感器。可用于檢測環境中特定分子的存在及濃度(如炸藥蒸汽、坑道氣體分子)，可廣泛應用于環境控制、工業過程處理、礦山生產、公共安全設施、國土安全等領域，靈敏度達到ppm甚至ppb量級。

為實現以上目的，本發明所采用的技術方案為：

一種基于薄包層長周期光纖光柵耦合諧振腔的生物化學傳感器，該生物化學傳感器由薄包層長周期光纖光柵(3)、鍍有納米孔沸石涂層薄膜的微球諧振腔(6)和承載硅基片(1)組成，其中，所述薄包層長周期光纖光柵(3)的一端為光源輸入端(13)，另一端(14)為傳感信號檢測端，當特定波長的光在光柵區(2)與所述微球諧振腔(6)發生耦合時，就可以從所述薄包層長周期光纖光柵(3)的傳感器信號檢測端檢測輸出光的變化情況。

該生物化學傳感器還包括，所述薄包層長周期光纖光柵(3)是將去涂覆層的光纖經過HF酸溶液腐蝕后用飛秒激光在腐蝕區逐點刻寫，或用飛秒激光逐點刻寫后用HF酸溶液腐蝕使其光柵區包層直徑變細。

該生物化學傳感器還包括，在于所述微球諧振腔(6)有一操作微桿(9)，所述微球諧振腔的直徑為50至70微米，所述納米孔沸石涂層播磨的沸石分子篩膜(5)厚度為5至10微米，平均孔徑小于1納米。

該生物化學傳感器還包括，所述操作微桿(9)穿過所述微孔槽(7)。

該生物化學傳感器還包括，在于所述微球諧振腔(6)位于光柵區(2)的后部，并且所述薄包層長周期光纖光柵(3)的外圓素線與所述微球諧振腔(6)的赤道面在同一水平面上。

該生物化學傳感器還包括，在于所述薄包層長周期光纖光柵(3)與所述微球諧振腔(6)的間距可以通過微孔槽(7)調節，兩者的間距為50至200納米。

附圖說明

下面結合附圖和實施方式對本發明作進一步詳細的說明。

圖1為本發明的整體結構示意圖。

圖2為腐蝕后長周期光纖光柵的形狀示意圖。

圖3為鍍有沸石膜的微球諧振腔。