[发明专利]一种基于光学谐振腔的微粒粒度检测传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于检测气体或液体中微粒的浓度和尺寸的传感器，可应用于空气中雾霾检测、以及水中微生物检测等环保和生化分析领域。

背景技术

微纳颗粒物检测在环境保护和生化分析等领域具有重要应用，例如：雾霾污染就是由大气中悬浮的微纳颗粒引起；微纳尺度的浮游植物会影响海水的水质(Biogeosciences，7，3239-3257，2010)。目前，检测气体或液体中悬浮微纳颗粒物的主要方法有：沉降法、激光法、筛分法、图像法和电阻法等。其中激光检测具有快速便捷的特点，其测试原理是：激光照射到悬浮颗粒后，由于不同粒径的颗粒对光的散射角不同(如图1)，因此对散射光的强度分布进行分析就可获知颗粒的粒度分布(C.F. Bohren and D.R.Huffman，“Absorption and scattering of light by small particles”，John Wiley&Sons，New York，1983)。

为了提高激光检测精度，需要增强光与颗粒的相互作用，从而增强散射效应。对于光学谐振腔，由于腔内的谐振效应使得光强度得到大幅提高，可以增强了腔内颗粒对光的散射效应。但是，面临的问题是：谐振腔对光有约束效应，如何将散射光从谐振腔内部导出？

综上所述，如何设计基于光学谐振腔的颗粒检测传感器，使得既能提高光散射效应，又能有效导出散射光？是本发明的创研动机。

发明内容

本发明为解决上述问题，提出“一种基于光学谐振腔的微粒粒度检测传感器”，其中光学谐振腔采用由介质膜布拉格反射镜(DBR)构成的Fabry-Pérot腔；由于DBR的反射率对角度敏感，当入射角超过特定阈值时，DBR的反射率急剧降低，因此散射角度超过特定阈值的散射光可以从谐振腔内有效导出、并被探测。本发明的传感器具有灵敏度高和结构简单的特点。

发明人对光学谐振腔以及DBR的特性有着深入的研究(Applied Optics，vol.45，pp.8448-8453，2006)，从而启发了本发明的产生。本发明的传感器结构如图2或图3所示，传感器由Fabry-Pérot腔、透镜和光电探测部分组成。

所述的微纳颗粒检测传感器，其检测过程可按以下步骤实现(图2或图3)：①激光入射到Fabry-Pérot腔上，并进入腔内获得谐振增强；②液体或气体样品进入Fabry-Pérot腔；③样品中的颗粒对腔内的激光进行散射；④散射光的散射角度超过特定阈值时，散射光从腔内导出；⑤散射光被光电探测。

所述的Fabry-Pérot腔，可以集成在微流控芯片上(Appl.Phys.Lett.，vol.102，pp.163701，2013)，从而减小体积。

所述的Fabry-Pérot腔，由两个平行排列的布拉格反射镜构成(图4)，其中的布拉格反射镜由不同折射率的薄膜交替堆叠而成。

所述的入射角的特定阈值，具有如下特征：当入射角小于特定阈值，布拉格反射镜能有效反射光波；当入射角大于特定阈值，布拉格反射镜对光波的反射率急剧下降，丧失反射镜功能(图5)。

所述的布拉格反射镜，可以选择不同的薄膜材料组合，从而调节不同薄膜材料之间的折射率差异，实现对特定阈值的调节。

所述的布拉格反射镜，可以通过溅射、蒸发或生长的方法在衬底上沉积薄膜而成，其中的薄膜材料优先采用Si/SiO₂、TiO₂/SiO₂和GaAs/AlGaAs。

所述的光散射效应，具有前向散射和后向散射两种形式，相应的透镜和光电探测器需要放置在Fabry-Pérot腔的后端(图2)或前端(图3)。

所述的光电探测，可以采用两种方式实现：①采用电荷耦合元件(CCD)阵列，可以对散射光的强分布直接成像；②采用光电探测器，需要转动或移动探测器的位置，从而获得散射光的空间光强分布。

附图说明

附图，其被结合入并成为本说明书的一部分，示范了本发明的实施例，并与前述的综述和下面的详细描述一起解释本发明的原理。

图1为颗粒对光的散射示意图。

图2为探测前向散射的传感器结构。

图3为探测后向散射的传感器结构。

图4为Fabry-Pérot腔的结构示意图。

图5为介质膜布拉格反射镜的反射率与的入射角的关系图。

具体实施方式