专利名称：高灵敏度无标记耦合光微流环形激光传感器的制作方法
技术领域：
本发明属光学传感技术领域，具体涉及一种无标记耦合光微流环形激光传感器。
背景技术：
在过去的几年里，微流折射率传感器受到越来越多的关注，它在生物传感、化学分析、环境监测和医学发展方面都有重要应用。在众多微流的架构中，环形微流谐振腔因其具有较高灵敏度而被视为最有前途的折射率传感器。环形微流谐振腔传感器将回音壁模式与一个微流体通道结合，从而简化了传感器系统，提高了传感性能。液体样品与共振模式渐逝场之间相互作用，将导致共振波长漂移。但是微流环形传感器的灵敏度存在理论极限，通常是有限的几百纳米/折射率单位(nm/RIU)。为了打破理论上的微流环形激光传感器的灵敏度极限，人们引入了有源回音壁传感方案，通过测量激光模式跳跃或监测耦合环形谐振腔系统的光谱调制包络来进行传感。用此方法可提高回音壁模式传感器性能，突破折射率探测理论极限。本发明中我们在耦合微流环形激光器的基础上提出了使用毛细管形成液芯通 道的概念，实现了水相探测，灵敏度可达到2510nm/RIU，，放大倍数有355。这种传感器是由一个环型激光腔和一个薄壁石英毛细管组成的，这种构型非常适用于在水溶液中进行生物和化学分析。该技术为高灵敏度折射率传感系统提供了一个可替代、低成本且易生产的平台。
发明内容
本发明的目的在于提供一种灵敏度高，探测极限低，测量快速，成本较低的耦合微流环形激光传感器。本发明在耦合微流环形激光器的基础上，提出了使用毛细管形成液芯通道的概念，利用耦合腔结构突破了单个腔的理论探测极限，并利用薄壁毛细管液芯通道成功实现水相样品的探测，具有高灵敏度，低探测极限，快速测量及低成本等优点。本发明提出的耦合微流环形激光传感器，由如下部分依次连接组合构成一个圆柱环形激光器圆柱1，一个薄壁毛细管2，如图1(a)所示，二者紧密耦合后固定于基片上，并用导液软管分别连接毛细管两端，液体样品3通过软管输运至毛细管中。本发明要求圆柱形环形激光器I的光学模式要与薄壁毛细管2中的光学谐振模式相匹配，对圆柱形环形激光器的材料和泵浦方式无特殊要求，可以是固体激光器(如掺染料的有机玻璃材料构成)或液体激光器(如薄壁毛细管中通入染料溶液构成)，泵浦方式可为电泵浦或光泵浦；对薄壁毛细管2，要求激光光谱可以在其中实现谐振，因此其材料要在激光光谱范围为透明，常用的如石英毛细管；为实现毛细管内谐振模场在液芯中的分布，要求毛细管壁厚控制在500纳米到5微米之间；为了控制整个器件尺寸和满足光谱仪分辨率的要求，要求圆柱环形激光器和薄壁石英管直径在10微米到500微米之间。本发明原理如下单个微流传感器工作原理是液体样品与共振模式渐逝场之间相互作用，将导致共振波长漂移，耦合回音壁模式微腔光谱会发生调制，其调制是游标效应引起的。当两个尺寸略有不同的回音壁模式圆环相互耦合时，由干涉引起的共振频谱明显变化形成调制包络。当两个谐振腔中只有一个对折射率变化响应时，调制包络位移的移动量就等于共振波长移动量乘一个放大因子M。M因子用FSR/AFSR表示，FSR和AFSR分别是两环的自由光谱范围和它们的差。可见AFSR越小，则M因子越大。因此，用此方法可提高回音壁模式传感器性能，突破折射率探测理论极限。本发明中我们在耦合微流环形激光器的基础上提出了使用毛细管形成液芯通道的概念，由于薄壁毛细管可实现谐振模场在液芯中的分布，从而实现了水相探测，灵敏度可达到2510nm/RIU，，放大因子M达到355。
图I (a)耦合微流激光传感器截面示意图，(b)耦合微流激光传感器结构俯视图。图2 Ca)实验用稱合微流激光传感器结构示意图，(b)集成在I. 5cmX I. Ocm硅基片上的耦合微流激光传感器实物图上插图为壁厚为I μπι的石英管截面图， 下插图为耦合微流激光传感器的传感区域。图3 (a)不同浓度的葡萄糖溶液通过耦合微流激光传感器时调制包络随着折射率增加而蓝移W1 0.9 μπι),箭头方向指示包络移动方向。(b)调制光谱包络放大图，红色曲线为光谱的洛伦兹拟合包络。(C)包络中心随折射率变化关系，线性拟合得到灵敏度为 2510 nm/RIUο图4不同折射率下包络中心随时间的波动。图5 (a)随着氢氟酸腐蚀毛细管内壁，光谱包络中心向短波长方向移动。(b)线性拟合包络中心波长与毛细管内壁减小的厚度的关系，得到灵敏度O. 15nm/nm。图中标号1为有源环型激光器，2为薄壁石英管，3为被测样品溶液，D1为有源环形激光器外径，Cl1为有源环形激光器有源层厚度，D2为微流石英管外径，d2为石英管壁厚。
具体实施例方式下面通过具体实例进一步描述本发明
实施例利用不同浓度葡萄糖溶液进行体折射率灵敏度测量和利用氢氟酸腐蚀的方法进行表面质量密度的探测。I.样品制作及参数设定首先，在商用玻璃光纤(直径在125μπι内)上拉一层掺杂若丹明B染料的有机无机混合玻璃材料膜(折射率η=1. 52)，在140° C下进行3小时热处理使膜固化。这样制备有源层厚度(d广I μπι)圆柱环型激光器。第二步，将圆柱环型激光器平行堆放在一个石英毛细管(PolymiciO科技有限责任公司)(外径126 μ m，内径75 ym, η=1. 45)，毛细管与特氟龙管相连，通过连接的管道运送液体样品。最后将它们放置在硅板或玻璃基板上两端固定。把不同浓度的氢氟酸注射到毛细管中，注射泵速度IOyL/min0氢氟酸腐蚀毛细管壁使之减少到几微米，我们实验中腐蚀到I μ m。样品实物图如图2所示。2.体折射率探测性能测试耦合微流激光传感器用532nm的锁模激光泵浦(脉冲宽度30Ps，重复频率IOHz)。通过控制泵浦光斑的不同大小不同位置在圆柱环型激光器中产生理想的回音壁径向模式用于耦合。出射光谱多模光纤束用于收集并传输到光谱仪。为测量耦合微流激光传感器的体折射率灵敏度，不同浓度的葡萄糖溶液以2 μ L/min流经毛细管。折射率每次改变O. 00075RIU。图3 (a)显示了 d广I μ m的耦合微流激光传感器的调制激光谱随折射率的变化，图3(b)中我们用洛伦兹形拟合频谱包络，并找到其峰中心波长值。图3(c)中，中心波长被线性拟合，推导出灵敏度2510nm/RIU。这一结果非常接近于3阶圆柱环型激光器模式与I阶石英管微流腔模式耦合所得的计算值2485nm/RIU，放大倍数M=355。实验中，我们注意到即使频谱包络移动明显，单一谐振模式的位移都在光谱分辨率之内(即O. 02nm)，这样可确定放大倍数非常大(M>200)。3.探测极限表征如图3所示，对于一定的折射率，包络的中心波长会随时间小范围浮动，这是由泵浦功率的不稳定引起的，泵浦功率的稳定性在4%左右。图4描述了相同样品测量的可重复性，得到浮动的标准偏差S为0.04nm。等效噪声探测极限为I. 6X 10_5。提高泵浦功率稳定性有望实现小于10_7RIU的探测极限。4.表面质量探测性能测试样品制备中用D2=142ym的石英管构成耦合腔结构，1%的氢氟酸水溶液以10 μ L/min的流速通过石英管，相对应的石英管内壁厚度减小速率为 1.4ym /hour，图5 (a)显示，随着腐蚀的进行，调制包络中心逐渐想短波长方向移动，图5(b)为包络中心与壁厚减小量线性拟合,得到灵敏度为O. 15 nm/nm,对应的表面质量探测极限为0.59 ng/mm2,此时放大因子M仅为22，通过调节D1, D2实现较大的M可以将探测极限进一步降低。
权利要求
1.一种高灵敏度无标记耦合光微流环形激光传感器，其特征在于由如下部分依次组合连接构成一个圆柱环形激光器，一个薄壁毛细管，环形谐振腔平行紧密耦合，并用导液软管分别连接石英管两端。
2.根据权利要求I所述的无标记耦合光微流环形激光传感器，其特征在于圆柱形环形激光器由电泵浦或光泵浦实现，其材质为掺染料的复合玻璃材料，或者由薄壁石英管内通入染料溶液形成的液芯激光器构成。
3.根据权利要求I所述的无标记耦合光微流环形激光传感器，其特征在于薄壁毛细管使用毛细石英管，或者使用任何在激光光谱范围内透明材料制作的环型毛细管。
4.根据权利要求I所述的无标记耦合光微流环形激光传感器，其特征在于圆柱环形激光器和薄壁毛细管直径在10微米到500微米之间。
5.根据权利要求3所述的无标记耦合光微流环形激光传感器，其特征在于薄壁石英管壁厚范围在500纳米到5微米之间。
全文摘要
本发明属光学传感技术领域，具体为一种高灵敏度无标记耦合光微流环形激光传感器。本发明的激光传感器由一个圆柱型环形激光器和薄壁光微流石英管环形谐振腔平行紧密耦合组成，利用这种耦合回音壁模式微腔结构的游标效应来突破单腔的理论探测极限，进而实验超高灵敏度。该器件具有高灵敏度，适合水相样品及微量样品探测，制备工艺简单和成本低廉等优点。
文档编号G01N21/41GK102866128SQ20121036904
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月27日 优先权日2012年9月27日
发明者任力强, 吴翔, 李明, 徐雷, 刘丽英 申请人:复旦大学