[發(fā)明專利]一種基于超材料吸收器的光學(xué)折射率傳感器

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110321616.5
• 申請(qǐng)日: 2011-10-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103063607A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-04-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙曉鵬;朱衛(wèi)仁;王曉農(nóng);洪剛;羅春榮
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/45
• 分類號(hào): G01N21/45
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種光學(xué)折射率傳感器，特別是基于超材料吸收器的可以實(shí)現(xiàn)裸眼檢測(cè)的光學(xué)折射率傳感器。

背景技術(shù)超材料(Metamaterial)是一種人工結(jié)構(gòu)材料，通過(guò)設(shè)計(jì)超材料的基本單元結(jié)構(gòu)，使其對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)產(chǎn)生相應(yīng)的諧振，原理上可以實(shí)現(xiàn)任意大小的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。左手材料(Left-handed?Metamaterials)的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，以及電磁隱身斗篷(Cloak)的制備分別被《Science》雜志評(píng)為2003年和2006年十大科技進(jìn)展之一。目前的研究表明，合理的設(shè)計(jì)超材料基本單元的幾何形狀以及結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于入射到超材料表面的電磁波既不反射也不透射，達(dá)到電磁波完全吸收的科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。

超材料由于其靈活的設(shè)計(jì)方法，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到傳感器領(lǐng)域。其基本原理是背景介質(zhì)的折射率不同，會(huì)引起超材料諧振頻率的偏移。根據(jù)這種設(shè)計(jì)思想，研究者們已經(jīng)在微波、THz以及紅外等頻段實(shí)現(xiàn)了基于超材料的傳感器。由于可見(jiàn)光波段的超材料很難用自上而下的物理刻蝕方法制備，目前尚未有可見(jiàn)光波段的超材料傳感器。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是基于超材料吸收器的設(shè)計(jì)思想，提出一種用非完全光譜來(lái)實(shí)現(xiàn)可用于裸眼檢測(cè)的光學(xué)折射率傳感器。該超材料吸收器由納米尺度的銀多孔薄膜、PVA薄膜和銀鏡組成。當(dāng)白光入射到吸收器表面時(shí)，會(huì)在上下表面干涉，由于特定波長(zhǎng)的光被吸收器吸收，干涉條紋為非完全光譜。這種超材料吸收器可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)液體的折射率的裸眼檢測(cè)，將被測(cè)液體放在吸收器表面，折射率的變化會(huì)引起干涉條紋的顏色以及寬度的變化。

附圖說(shuō)明

圖1可見(jiàn)光超材料吸收傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2(a)可見(jiàn)光超材料吸收器的制備流程，(b)實(shí)際制備的可見(jiàn)光超材料吸收傳感器的照片

圖3(a)多孔薄膜A-1的SEM圖，(b)可見(jiàn)光超材料吸收傳感器B-1的反射和吸收曲線。

圖4(a)多孔薄膜A-2的SEM圖，(b)可見(jiàn)光超材料吸收傳感器B-2的反射和吸收曲線。

圖5基于超材料吸收器的光學(xué)折射率傳感器的裸眼檢查圖：(a)空氣界面，(b)折射率為1.31的液體，(a))折射率為1.34的液體，(a))折射率為1.44的液體。

具體實(shí)施方式

1.多孔銀膜的制備：用膜轉(zhuǎn)移法將聚苯乙烯小球自組裝涂覆在ITO玻璃基板上。然后，用電沉積法將銀沉積在ITO玻璃上，在這一步中，孔狀結(jié)構(gòu)的半徑以及銀膜厚度可以通過(guò)控制沉積時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)。沉積了銀以后，用CH₂Cl₂溶液溶解聚苯乙烯小球，則得到多孔的銀膜。

2.超材料吸收器的制備：在另一片ITO玻璃上沉積一定厚度的銀做成銀鏡，再用提拉法在銀鏡上面涂覆納米尺度的PVA薄膜。PVA薄膜的厚度可以通過(guò)控制PVA濃度以及提拉速度來(lái)實(shí)現(xiàn)。將上述的多孔銀膜，PVA薄膜和銀鏡面對(duì)面粘貼在一起，就得到了三層結(jié)構(gòu)的超材料吸波傳感器，其中PVA薄膜是作為絕緣隔離層。

3.折射率傳感器的實(shí)現(xiàn)：將不同折射率的溶液滴在超材料吸收傳感器表面，干涉條紋的顏色和寬度會(huì)隨著折射率的不同產(chǎn)生相應(yīng)的變化，可以直接實(shí)現(xiàn)裸眼檢測(cè)。

本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)過(guò)程和材料性能由實(shí)施例和附圖說(shuō)明：

實(shí)施例一：

用膜轉(zhuǎn)移法將直徑為200nm的聚苯乙烯小球自組裝涂覆在ITO玻璃基板上。然后用電沉積將銀沉積在ITO玻璃上，控制沉積時(shí)間保證銀膜厚度為20nm。沉積了銀以后，用CH₂Cl₂溶液溶解聚苯乙烯小球，則得到多孔的銀膜A-1。在另一片ITO玻璃上沉積厚度為40nm的銀做成銀鏡，再用提拉法在銀鏡上面涂覆20nm厚的PVA薄膜。將上述的多孔銀膜，PVA薄膜和銀鏡面對(duì)面粘貼在一起，就得到了三層結(jié)構(gòu)的超材料吸波傳感器B-1。超材料吸收傳感器B-1的反射和吸收曲線如圖3(b)所示。圖中可以看出，在600nm附近，實(shí)驗(yàn)得到的反射率最小值為0.247，吸收率最大值為75.3％。從圖5中看出，將不同折射率的溶液滴在超材料吸收器B-1表面，可以觀察到干涉條紋的顏色和寬度會(huì)隨著折射率的不同產(chǎn)生相應(yīng)的變化。

實(shí)施例二：