[發明專利]基于表面等離子體的回音壁模式球狀光學微腔折射率傳感器及測量裝置

有效

• 申請號: 202010032741.3
• 申請日: 2020-01-13
• 公開（公告）號: CN111077112B
• 公開（公告）日: 2021-04-13
• 發明（設計）人: 丁銘;尹貽恒;王波濤;鄭少偉;秦旭東;聶天曉
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41;G01N21/01
• 代理公司: 北京海虹嘉誠知識產權代理有限公司 11129
• 代理人: 吳小燦;張濤

本發明提供一種基于表面等離子體的回音壁模式球狀光學微腔折射率傳感器及測量裝置，充分利用回音壁模式光學微腔的高品質因子特性，通過在光學微腔表面鍍覆金層以激發表面等離子體，提高光學微腔表面能量和折射率傳感靈敏度，實現外界介質折射率的測量。本發明的光學微腔折射率傳感器包括微納光纖、回音壁模式球狀光學微腔，所述微納光纖與所述回音壁模式球狀光學微腔接觸耦合；所述回音壁模式球狀光學微腔表面上鍍覆月牙形金層，以激發表面等離子體而增強球狀光學微腔對外界介質折射率變化的敏感程度。本發明具有體積小、制備方法簡單、易于集成等優點，可應用于化學或生物傳感等領域。

技術領域

本發明涉及光纖器件技術領域，具體涉及一種基于表面等離子體的回音壁模式球狀光學微腔折射率傳感器及測量裝置。

背景技術

回音壁模式光學微腔是一種基于全內反射效應將光場約束在微米級空間區域內的光學元件，具有能量密度大、品質因子高、空間尺寸小的優點，其模場主要分布在光學微腔內部，但有一部分能量以倏逝場的形式存在于光學微腔外部。光學微腔的倏逝場可以感知外界介質折射率的變化，進而轉化成傳輸譜線的變化，實現外界折射率的傳感測量。然而，由于光學微腔與周圍介質之間存在較大的折射率差，光學微腔的模場大部分集中在腔內，導致諧振模式對外界介質折射率變化的響應較弱。為了增強光學微腔折射率探測的靈敏度，一方面可以在光學微腔外表面覆蓋一層對被測物質敏感的材料，另一方面也可以通過采用空芯的微泡腔增大倏逝場滲透到外界的比例，增強與外界介質的相互作用。然而，鍍覆敏感材料的傳感器只對特定被測物的折射率變化敏感，不具有普適性，而微泡腔制備方法復雜，并且極易破碎，實用性較差。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提供一種基于表面等離子體的回音壁模式球狀光學微腔折射率傳感器及測量裝置，充分利用回音壁模式光學微腔的高品質因子特性，通過在光學微腔表面鍍覆金層以激發表面等離子體，提高光學微腔表面能量和折射率傳感靈敏度，實現外界介質折射率的測量。

本發明采用的技術方案為：

1.一種基于表面等離子體的回音壁模式球狀光學微腔折射率傳感器，其特征在于，包括微納光纖、回音壁模式球狀光學微腔，所述微納光纖與所述回音壁模式球狀光學微腔接觸耦合；所述回音壁模式球狀光學微腔表面上鍍覆月牙形金層，以激發表面等離子體而增強球狀光學微腔對外界介質折射率變化的敏感程度。

2.所述微納光纖通過納米級精密位移臺與所述球狀光學微腔接觸耦合。

3.利用軟化拉伸法將單模光纖通過拉錐機制得輪廓外形滿足絕熱條件的低損耗雙錐形微納光纖。

4.利用加熱熔融法將單模光纖通過光纖熔接機制得回音壁模式球狀光學微腔。

5.利用真空熱蒸鍍技術在回音壁模式球狀光學微腔表面鍍覆月牙形金層。

6.所述月牙形金層覆蓋1/2的球狀光學微腔外表面，金層厚度在中心位置處最大，向周邊均勻減小并在邊緣處為0。

7.所述中心位置的金層厚度約為10～200nm。

8.一種基于表面等離子體的回音壁模式球狀光學微腔折射率傳感器的測量裝置，其特征在于，包括寬譜光源、光譜分析儀、輸入/輸出單模光纖以及基于表面等離子體的回音壁模式球狀光學微腔折射率傳感器，所述基于表面等離子體的回音壁模式球狀光學微腔折射率傳感器的微納光纖的兩端分別通過輸入單模光纖連接寬譜光源、通過輸出單模光纖連接光譜分析儀；寬譜光源輸出的光經微納光纖耦合進球狀光學微腔中，并在鍍覆金層區域激發出表面等離子體，之后重新耦合回微納光纖并經輸出單模光纖輸入至光譜分析儀中，得到包含諧振信息的傳輸光譜，通過測量諧振峰諧振波長的變化即可實現外界介質折射率的測量。

9.所述微納光纖的兩端與輸入單模光纖和輸出單模光纖熔融連接。

10.所述輸入單模光纖和輸出單模光纖分別與寬譜光源、光譜分析儀通過光纖適配器進行連接。