[實用新型]基于非對稱金屬包覆介質波導的波長掃描折射率傳感器

有效

• 申請號: 201920058237.3
• 申請日: 2019-01-14
• 公開（公告）號: CN209446465U
• 公開（公告）日: 2019-09-27
• 發明（設計）人: 朱劍凱;吳梟雄;吳淵;胡德強;蘇學晶;楊旭東;王向賢;楊華
• 申請（專利權）人: 蘭州理工大學
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;顧煒

本實用新型公開了一種基于非對稱金屬包覆介質波導的波長掃描折射率傳感器，包括寬帶光源、起偏器、棱鏡、匹配油、玻璃基底、金屬薄膜、待測物和光譜儀。寬帶光源發出一定波長范圍的入射光，經起偏器后成為特定方向的線偏振光，并垂直于棱鏡表面入射，經棱鏡耦合輻照非對稱金屬包覆介質波導，反射光從棱鏡中射出后，輻照到光譜儀上。通過反射光譜的測量，確定非對稱金屬包覆介質波導中相應導模共振的激發波長，進而確定待測物的折射率。本實用新型將待測物作為非對稱金屬包覆介質波導的導波層，充分利用了導模共振波長變化與待測物折射率之間的關系,實現了高靈敏度的折射率傳感，具有結構簡單和高靈敏度測量的優勢，可廣泛應用于折射率傳感領域。

技術領域

本實用新型屬于折射率傳感器領域，涉及利用非對稱金屬包覆介質波導結構進行折射率傳感測量的技術領域，特別涉及基于非對稱金屬包覆介質波導的波長掃描折射率傳感器。

背景技術

折射率是物質的一個重要光學特性參數，它與物質的內部組成及成分有著直接的聯系。折射率的檢測在生物學、化學等相應的檢測領域中有著廣泛的應用。因此，研究人員提出了許多基于不同傳感原理的折射率傳感器，其中，由于表面等離子體的強耦合性質，它在折射率傳感領域的應用也越來越多，基于表面等離子體的折射率傳感器主要包括棱鏡耦合和光柵耦合兩種方式，研究人員依此設計出了相應的折射率傳感器，并且實現了不同靈敏度的折射率傳感測量，但是，這些折射率傳感器卻仍然有一定的不足，主要表現在以下幾個方面：

(1)傳感范圍小：利用棱鏡耦合表面等離子體共振進行折射率傳感時，待測物的折射率必須小于棱鏡本身的折射率，因此限制了折射率測量的傳感范圍。

(2)成本高：利用光柵耦合表面等離子體共振進行傳感時，需要考慮光柵本身的制作工藝，無疑增加了傳感器制作的成本。

另外，折射率傳感測量方式主要包括波長掃描和角度掃描，而角度掃描由于入射角度的不斷改變，故其折射率傳感測量效率低且操作復雜。

實用新型內容

本實用新型的目的在于彌補現有基于角度掃描折射率傳感器的不足，提出一種基于非對稱金屬包覆介質波導的波長掃描折射率傳感器，對利用棱鏡耦合的角度掃描傳感器進行技術改進，從而實現操作簡單、成本低廉的高靈敏度折射率傳感。

為實現上述目的，本實用新型所采用的技術方案是：

基于非對稱金屬包覆介質波導的波長掃描折射率傳感器，包括寬帶光源、起偏器、棱鏡、匹配油、玻璃基底、金屬薄膜、待測物和光譜儀，其中，所述的寬帶光源發出的具有一定波長范圍的入射光，經起偏器改變偏振方向后，成為TM或TE偏振的線偏振光，并沿垂直于棱鏡表面的方向射入棱鏡，入射光經棱鏡耦合輻照到由金屬薄膜、待測物和空氣所構成的非對稱金屬包覆介質波導上，反射光從棱鏡射出后，輻照到光譜儀上，通過反射光譜的測量，實現高靈敏度的波長掃描的折射率傳感。

其中，非對稱金屬包覆介質波導中存在導波模式，入射光以激發導模的共振波長輻照時，入射光能量將耦合到待測物中導模的能量，光譜儀探測到的反射光譜將出現相應導模對應的波谷，通過對反射光譜的分析，可以確定相應入射角度下導模的共振波長，進而通過非對稱金屬包覆介質波導的相關理論，計算并確定待測物的折射率，即可實現高靈敏度的折射率傳感。

其中，所述的非對稱金屬包覆介質波導，是由金屬薄膜，待測物和空氣構成的三層結構，金屬薄膜和空氣用作包覆待測物的包覆層。

其中，不同波長的入射光從寬帶光源發出，經起偏器改變偏振方向，由棱鏡耦合輻照到非對稱金屬包覆介質波導，反射光從棱鏡中射出后，由光譜儀測量反射光譜。

其中，通過寬帶光源發出不同波長的光，沿垂直于棱鏡表面的方向入射，保證了所有入射光以同一入射角度輻照非對稱金屬包覆介質波導，從而避免了由于棱鏡色散引起的不同波長的光以不同角度輻照非對稱金屬包覆介質波導的問題，同時保證了測量的實時性和準確性。