[發(fā)明專利]一種基于鍺鎵碲硫鹵玻璃薄膜的探測(cè)系統(tǒng)及其搭建方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310218226.4
• 申請(qǐng)日: 2013-06-04
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103344606A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-10-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王麗;蘇雪瓊;王榮平;魯毅;甘渝林
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/39
• 分類號(hào): G01N21/39
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 張慧

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于鍺鎵碲硫鹵玻璃薄膜的探測(cè)系統(tǒng)及其搭建方法，屬于探測(cè)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

中紅外“分子指紋”區(qū)（波長(zhǎng)在2.5-25μm范圍內(nèi)）被認(rèn)為是化學(xué)物質(zhì)傳感與檢測(cè)的非常重要的光譜區(qū)。在此光譜范圍內(nèi)，所有重要的氣體分子均具有強(qiáng)烈的窄帶吸收線，該吸收線與分子的轉(zhuǎn)動(dòng)與振動(dòng)相對(duì)應(yīng)。同時(shí)，大的有機(jī)分子也在指紋區(qū)吸收光，對(duì)這段光譜的探測(cè)也可識(shí)別其化學(xué)組分。理論上，通過(guò)測(cè)量樣品對(duì)于指紋區(qū)大量不同波長(zhǎng)的光波吸收，所有化合物的成分以及各化合物的含量均可被測(cè)試出來(lái)。那么，中紅外光譜范圍對(duì)于加工過(guò)程監(jiān)控、危險(xiǎn)物質(zhì)的探測(cè)、環(huán)境的分析以及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域都是非常重要的，可發(fā)現(xiàn)與追蹤大部分有毒有害或非法的材料，例如：烴類化合物、殺蟲(chóng)劑、毒品、爆炸物以及一氧化碳和甲烷等危險(xiǎn)氣體。波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的鍺鎵碲硫鹵玻璃薄膜應(yīng)用于一次性的化學(xué)傳感器上，該傳感器聯(lián)結(jié)基于量子級(jí)聯(lián)激光器的新型可調(diào)諧的激光光源，同時(shí)連接基于量子井帶間與帶內(nèi)躍遷的窄禁帶半導(dǎo)體材料碲鎘汞(HgCdTe)的新型探測(cè)器，可對(duì)毒品、生物戰(zhàn)劑、爆炸物和空氣與水中的污染物進(jìn)行探測(cè)，造價(jià)便宜，可測(cè)試大范圍材料種類，便攜式探測(cè)器正是現(xiàn)階段迫切需要的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種可探測(cè)中紅外分子指紋區(qū)光譜、基于鍺鎵碲硫鹵玻璃微納波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中紅外傳感器的探測(cè)系統(tǒng)。

本發(fā)明的一種基于鍺鎵碲硫鹵玻璃薄膜的探測(cè)系統(tǒng)，它是以可調(diào)諧量子級(jí)聯(lián)激光器作為光源、微納波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的鍺鎵碲硫鹵玻璃薄膜作為傳感器、碲鎘汞探測(cè)器作為接收器分析中紅外吸收光譜、以中紅外光纖作為信號(hào)傳輸介質(zhì)，其中鍺鎵碲玻璃薄膜波導(dǎo)結(jié)構(gòu)兩頭大中間細(xì)，便于光纖耦合；鍺鎵碲玻璃薄膜厚度優(yōu)選1～10μm，鍺鎵碲玻璃薄膜波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中間細(xì)的部分寬度優(yōu)選350～700nm。

本發(fā)明的基于鍺鎵碲硫鹵玻璃薄膜的探測(cè)系統(tǒng)的搭建包括以下步驟：

1）采用熔融淬法，經(jīng)過(guò)石英安瓿的預(yù)處理、起始原料的稱量、真空封接、熔制、退火、切割、研磨和拋光過(guò)程，制備的高純（不低于99%）鍺鎵碲塊體硫系玻璃為熱蒸發(fā)源；

2）用去離子水、酒精，反復(fù)清洗硅襯底三遍，用氮?dú)獯蹈桑怀檎婵罩?0^-6Torr，利用熱蒸鍍法在直徑為100mm硅襯底上制備出厚度1～10μm的鍺鎵碲薄膜；

3）在直徑為100mm硅片上制備與待制備的鍺鎵碲玻璃薄膜波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相符的微納波導(dǎo)結(jié)構(gòu)模板；

此為現(xiàn)有技術(shù)，一般為利用熱氧化方法在直徑為100mm硅片上生長(zhǎng)1～10μm厚的二氧化硅薄膜，再利用真空熱蒸發(fā)的方法在二氧化硅表面沉積500nm厚的MgO薄膜，經(jīng)過(guò)光刻、腐蝕后MgO薄膜的形狀與待制備的鍺鎵碲玻璃薄膜波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的形狀相同，經(jīng)ICP等離子體刻蝕，形成二氧化硅薄膜波導(dǎo)結(jié)構(gòu)模板；

4）利用步驟3）的二氧化硅薄膜波導(dǎo)結(jié)構(gòu)模板采用氣壓印法和在步驟2）的鍺鎵碲硫鹵玻璃薄膜上制備厚度1～10μm，中間細(xì)部分的寬度350～700nm微納波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖案；

5）依次在光學(xué)平臺(tái)上搭建可調(diào)諧量子級(jí)聯(lián)激光器、高頻斬波器、單色儀、透鏡、中紅外光纖、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的硫鹵玻璃薄膜傳感器、偏振器、鎘碲汞探測(cè)器、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，保證光路暢通，各個(gè)節(jié)點(diǎn)耦合。

步驟4）制備波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的設(shè)備和方法如下：采用的裝置為熱膜氣壓印裝置，包括金屬外罩和金屬內(nèi)罩，金屬外罩由分別獨(dú)立的外罩上蓋和外罩下底座組成，外罩下底座是底面開(kāi)孔的桶狀結(jié)構(gòu)，金屬內(nèi)罩在金屬外罩底座的空腔內(nèi)，金屬內(nèi)罩為上端開(kāi)口、下端與外罩下底座密封連接的空腔結(jié)構(gòu)，外罩下底座的開(kāi)孔與金屬內(nèi)罩的下端口一樣，外罩上蓋設(shè)有通氣管（S1）；金屬內(nèi)罩的空腔內(nèi)設(shè)有加熱板，加熱板與金屬內(nèi)罩密封焊接在一起，在金屬內(nèi)罩的側(cè)面設(shè)有通氣管（S2），通氣管（S2）位于加熱板之上，金屬內(nèi)罩的通氣管（S2）從金屬內(nèi)罩伸出，延伸至外罩外部，金屬內(nèi)罩的上端口蓋有獨(dú)立的具有微納級(jí)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的模板（A1），加熱板與金屬內(nèi)罩上端口（A3）垂直距離為5mm，金屬外罩和金屬內(nèi)罩均為圓筒狀；加熱板是金屬管與金屬內(nèi)罩焊接而成的傳熱金屬板，對(duì)硫系玻璃薄膜加熱，同時(shí)還起到密封的作用。

使用方法，包括以下步驟：

（1）按照所需的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)形狀、寬度和深度，制備微納級(jí)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)模板A1；