[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

说明书

本发明公开了一种基于非对称金属包覆介质波导的波长扫描折射率传感器，包括宽带光源、起偏器、棱镜、匹配油、玻璃基底、金属薄膜、待测物和光谱仪。宽带光源发出一定波长范围的入射光，经起偏器后成为特定方向的线偏振光，并垂直于棱镜表面入射，经棱镜耦合辐照非对称金属包覆介质波导，反射光从棱镜中射出后，辐照到光谱仪上。通过反射光谱的测量，确定非对称金属包覆介质波导中相应导模共振的激发波长，进而确定待测物的折射率。本发明将待测物作为非对称金属包覆介质波导的导波层，充分利用了导模共振波长变化与待测物折射率之间的关系,实现了高灵敏度的折射率传感，具有结构简单和高灵敏度测量的优势，可广泛应用于折射率传感领域。

技术领域

本发明属于折射率传感器领域，涉及利用非对称金属包覆介质波导结构进行折射率传感测量的技术领域，特别涉及基于非对称金属包覆介质波导的波长扫描折射率传感器。

背景技术

折射率是物质的一个重要光学特性参数，它与物质的内部组成及成分有着直接的联系。折射率的检测在生物学、化学等相应的检测领域中有着广泛的应用。因此，研究人员提出了许多基于不同传感原理的折射率传感器，其中，由于表面等离子体的强耦合性质，它在折射率传感领域的应用也越来越多，基于表面等离子体的折射率传感器主要包括棱镜耦合和光栅耦合两种方式，研究人员依此设计出了相应的折射率传感器，并且实现了不同灵敏度的折射率传感测量，但是，这些折射率传感器却仍然有一定的不足，主要表现在以下几个方面：

(1)传感范围小：利用棱镜耦合表面等离子体共振进行折射率传感时，待测物的折射率必须小于棱镜本身的折射率，因此限制了折射率测量的传感范围。

(2)成本高：利用光栅耦合表面等离子体共振进行传感时，需要考虑光栅本身的制作工艺，无疑增加了传感器制作的成本。

另外，折射率传感测量方式主要包括波长扫描和角度扫描，而角度扫描由于入射角度的不断改变，故其折射率传感测量效率低且操作复杂。

发明内容

本发明的目的在于弥补现有基于角度扫描折射率传感器的不足，提出一种基于非对称金属包覆介质波导的波长扫描折射率传感器，对利用棱镜耦合的角度扫描传感器进行技术改进，从而实现操作简单、成本低廉的高灵敏度折射率传感。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

基于非对称金属包覆介质波导的波长扫描折射率传感器，包括宽带光源、起偏器、棱镜、匹配油、玻璃基底、金属薄膜、待测物和光谱仪，其中，所述的宽带光源发出的具有一定波长范围的入射光，经起偏器改变偏振方向后，成为TM或TE偏振的线偏振光，并沿垂直于棱镜表面的方向射入棱镜，入射光经棱镜耦合辐照到由金属薄膜、待测物和空气所构成的非对称金属包覆介质波导上，反射光从棱镜射出后，辐照到光谱仪上，通过反射光谱的测量，实现高灵敏度的波长扫描的折射率传感。

其中，非对称金属包覆介质波导中存在导波模式，入射光以激发导模的共振波长辐照时，入射光能量将耦合到待测物中导模的能量，光谱仪探测到的反射光谱将出现相应导模对应的波谷，通过对反射光谱的分析，可以确定相应入射角度下导模的共振波长，进而通过非对称金属包覆介质波导的相关理论，计算并确定待测物的折射率，即可实现高灵敏度的折射率传感。

其中，所述的非对称金属包覆介质波导，是由金属薄膜，待测物和空气构成的三层结构，金属薄膜和空气用作包覆待测物的包覆层。

其中，不同波长的入射光从宽带光源发出，经起偏器改变偏振方向，由棱镜耦合辐照到非对称金属包覆介质波导，反射光从棱镜中射出后，由光谱仪测量反射光谱。

其中，通过宽带光源发出不同波长的光，沿垂直于棱镜表面的方向入射，保证了所有入射光以同一入射角度辐照非对称金属包覆介质波导，从而避免了由于棱镜色散引起的不同波长的光以不同角度辐照非对称金属包覆介质波导的问题，同时保证了测量的实时性和准确性。