[发明专利]基于非对称金属包覆介质波导的波长扫描折射率传感器在审

专利信息
申请号: 201910031086.7 申请日: 2019-01-14
公开(公告)号: CN109444078A 公开(公告)日: 2019-03-08
发明(设计)人: 王向贤;朱剑凯;吴枭雄;吴渊;胡德强;苏学晶;杨旭东;杨华 申请(专利权)人: 兰州理工大学
主分类号: G01N21/41 分类号: G01N21/41
代理公司: 北京科迪生专利代理有限责任公司 11251 代理人: 杨学明;顾炜
地址: 730050 甘肃*** 国省代码: 甘肃;62
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摘要:
搜索关键词: 介质波导 金属包覆 非对称 待测物 折射率 折射率传感器 光谱仪 辐照 波长扫描 导模共振 高灵敏度 宽带光源 起偏器 棱镜 测量 波长变化 传感领域 反射光谱 激发波长 金属薄膜 棱镜表面 棱镜耦合 线偏振光 玻璃基 导波层 反射光 匹配油 入射光 波长 传感 入射 射出 垂直 应用
【权利要求书】:

1.基于非对称金属包覆介质波导的波长扫描折射率传感器,其特征在于,该传感器包括宽带光源(1)、起偏器(2)、棱镜(3)、匹配油(4)、玻璃基底(5)、金属薄膜(6)、待测物(7)和光谱仪(8),其中,所述的宽带光源(1)发出一定波长范围的入射光,经起偏器(2)改变偏振方向后,成为TM或TE偏振的线偏振光,并垂直于棱镜(3)表面入射,经棱镜(3)耦合辐照到金属薄膜(6)、待测物(7)和空气构成的非对称金属包覆介质波导上,反射光从棱镜(3)射出后,辐照到光谱仪(8)上,通过反射光谱的测量实现波长扫描的折射率传感。

2.根据权利要求1所述的基于非对称金属包覆介质波导的波长扫描折射率传感器,其特征在于,非对称金属包覆介质波导中存在导波模式,在入射角度一定的条件下,宽带光源(1)发出的入射光辐照非对称金属包覆介质波导时,入射光中对应激发相关导模共振的光能量将耦合到待测物(7)中的导模的能量,而其它波长的光将被全反射,因此,光谱仪(8)将探测到反射光谱出现相应导模对应的波谷,通过对反射光谱的分析,可以确定相应导模共振对应的激发光波长,进而通过非对称金属包覆介质波导的相关理论,计算并确定待测物(7)的折射率,通过这种固定入射角度进行共振波长测量的方法,可实现高灵敏度的折射率传感。

3.根据权利要求1所述的基于非对称金属包覆介质波导的波长扫描折射率传感器,其特征在于,所述的非对称金属包覆介质波导,是由金属薄膜(6),待测物(7)和空气三层构成的结构,金属薄膜(6)和空气用作包覆待测物(7)的包覆层。

4.根据权利要求1所述的基于非对称金属包覆介质波导的波长扫描折射率传感器,其特征在于,宽带光源(1)可发出一定波长范围的入射光,经起偏器(2)改变偏振方向,由棱镜(3)耦合辐照到非对称金属包覆介质波导,反射光从棱镜(3)中射出后,由光谱仪(8)测量反射光谱。

5.根据权利要求1所述的基于非对称金属包覆介质波导的波长扫描折射率传感器,其特征在于,在入射角度一定的条件下,通过宽带光源(1)发出不同波长的入射光,经起偏器(2)改变偏振方向后,成为TM或TE偏振的线偏振光,沿垂直于棱镜(3)表面的方向射入棱镜(3),从而保证了不同波长的入射光以同一角度辐照非对称金属包覆介质波导,并以同一反射角从棱镜(3)中射出。

6.根据权利要求1所述的基于非对称金属包覆介质波导的波长扫描折射率传感器,其特征在于,通过对反射光谱的分析和计算,可确定在厚度da的待测物(7)条件下,非对称金属包覆介质波导在入射角度θ0对应的共振波长,并最终由此计算求得待测物(7)的折射率na

7.根据权利要求1所述的基于非对称金属包覆介质波导的波长扫描折射率传感器,其特征在于,宽带光源(1)发出一定波长范围的入射光,经起偏器(2)改变偏振方向,成为TM偏振的线偏振光后,沿垂直于棱镜(3)的表面方向射入,以θ0的入射角辐照到非对称金属包覆介质波导中,该波导结构存在TM导波模式,当满足模式本征方程:

可激发TM0导波共振,其中,nair,nm,na分别为空气,金属薄膜以及待测物的折射率,k0=2π/λ0为真空中波长为λ0的入射光的波矢,当激发TM0导波模式时,β满足:

β=k0ngsinθ0

其中,ng为棱镜(3),匹配油(4)和玻璃基底(5)共同的折射率;

所以,当宽带光源(1)输出一定波长范围的入射光,经起偏器(2)改变偏振方向后,成为TM偏振的线偏振光,并沿垂直于棱镜(3)的表面方向以θ0的入射角辐照非对称金属包覆介质波导,当待测物(7)的厚度da确定后,发生TM0导模共振时的入射波长λ0仅依赖于待测物(7)的折射率na,因此可以通过基于非对称金属包覆介质波导的波长扫描折射率传感器,测量对应导模共振的入射波长,进而确定待测物(7)的折射率,从而实现高灵敏度的折射率传感测量。

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