一种表面等离子体增强型混合介质回音壁模式微腔传感器的制作方法

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及表面等离子体增强型混合介质回音壁模式微腔传感器。

背景技术：

随着现代生物化工的发展，出现越来越多极微小微粒的检测场景，对光学传感器的灵敏度提出了更高的要求。

表面等离子体共振(surfaceplasmonresonance,spr)生物化学传感器是一种基于金属表面等离子体共振效应的光学传感器，具有无需对待测样品进行标记、灵敏度高等优势。spr效应是一种光学现象，倏逝波入射至等离子体纳米微粒表面，在表面上造成呈梯度排布的电子浓度分布，形成等离子体振荡。入射角或波长满足特定条件时，倏逝波频率与微粒表面振荡的自由电子(等离子)频率相同，则微粒表面的等离子就吸收入射光的能量发生共振，这就是spr效应。

然而，等离子体传感器的灵敏度受以下因素影响：一是折射率变化对共振波长的影响，二是等离子体共振波长的转化率。传统的spr传感器由于红外波长损耗大、传输距离短，仍然存在着衰减大、互作用强度受限等不足之处。

众多研究证明，光学微腔具有高q值特性，其腔内光子寿命长、光功率密度大，光场在微腔内全反射传输与干涉形成的回音壁模式共振对外界物理量的微弱变化具有很强的感应能力，能够提供高精度、高灵敏度、快速、无标记的检测手段。2008年，vollmer等人通过监测微腔传感器输出端谐振频率的飘移，实现了hiv病毒微粒的检测。将spr与微腔结合，能够进一步提高其传感灵敏度。2014年，张兴旺等人利用微瓶腔表面的倏逝场激发纳米金粒，使基于spr效应的微腔传感器灵敏度提高了约16倍。然而，对于普通纯介质微腔，在其表面增加金属颗粒会增加微腔表面散射，从而降低了微腔q值，限制了传感器灵敏度的进一步提升。

随着现代生物医学、生化检验的发展，各种微量、测试相关领域对光学传感器的精度、检测效率和灵敏度提出了更高的要求。仍然需要结合结构和材料来改进现有传感器的灵敏度。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的缺点，提出了一种表面等离子体增强型混合介质回音壁模式微腔传感器。该传感器是在纯介质微腔表面镀高折射率膜层的方式构造高q值混合介质微腔，再使其表面附着表面等离子体纳米微粒，将混合介质微腔回音壁模式共振增强效应与spr效应相结合，充分利用混合介质微腔回音壁模场对外界物理量的高度敏感特性以及spr局域增强效应的优势实现高灵敏度传感。本发明所有器件采用全光纤耦合形式，具有结构紧凑、灵敏度高、响应速度快等优势，在生物化学微量实时检测领域具有潜在的应用价值。

本发明为达到上述效果所采取的技术方案是该微腔传感器包括可调谐激光器、偏振控制器、锥形光纤、混合介质微腔、等离子体纳米微粒、光电探测器，所述可调谐激光器输出的激光通过锥形光纤耦合进入混合介质微腔，并在其内全反射形成回音壁模式共振；偏振控制器用于控制输入锥形光纤的激光偏振态；光电探测器用于记录并分析由锥形光纤和混合介质微腔构成的耦合系统输出端的回音壁模式透射谱；所述混合介质微腔由光学微腔表面镀上高折射率膜层构成，混合介质微腔的表面上附有等离子体纳米微粒，混合介质微腔置于被测物理量当中。

作为本发明的进一步优化方案，所述混合介质微腔为圆对称结构。

作为本发明的进一步优化方案，所述圆对称结构包括微球腔、微环腔、微盘腔、微管腔、微环芯腔、微泡腔。

作为本发明所述的一种表面等离子体增强型混合介质回音壁模式微腔传感器进一步优化方案，所述光学微腔表面镀上高折射率膜层为通过镀膜方式在微腔内表面或外表面形成高折射率膜层。

作为本发明所述的一种表面等离子体增强型混合介质回音壁模式微腔传感器进一步优化方案，所述混合介质微腔的表面上附有等离子体纳米微粒是指微腔的内表面或外表面附近至少附着一个等离子体纳米微粒，以激发表面等离子体效应。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明利用纯介质微腔表面镀高折射率膜层方式的构造混合介质微腔，具有更高的q值，微腔表面倏逝场更强，与外界物理量互作用强度和时间增加，提高了灵敏度；

(2)将纳米颗粒附于混合介质微腔表面，增强了表面spr局域场强度，提高了传感器的灵敏度；

(3)本发明所有器件采用全光纤耦合形式，具有结构紧凑、灵敏度高、响应速度快等优势，在生物化学微量实时检测领域具有潜在的应用价值。

附图说明

图1为表面等离子体增强型混合介质回音壁模式微腔传感器结构示意图。

图2为普通微腔与混合介质微腔所激发的表面等离子体效应对比图。

图3为激发表面等离子体效应后不同微腔随半径变化的回音壁模式场强度分布对比图，其中，虚线为纯介质微腔，实线为混合介质微腔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明是利用回音壁模式混合介质微腔激发表面等离子体效应的方法，利用其对外界物理场微小变化的敏感特性实现传感探测，结合高q值混合介质微腔回音壁模式共振增强与表面等离子体局域增强效应的优势提高传感灵敏度，准确测试微腔周围的被测物理量。下面就对本发明的具体技术方案进行简要说明。

如图1所示为本发明的结构示意图，一种表面等离子体增强型混合介质回音壁模式微腔传感器，包括可调谐激光器、偏振控制器、锥形光纤、混合介质微腔、等离子体纳米微粒、光电探测器。可调谐激光器输出的光通过锥形光纤耦合进入混合介质微腔并在其内全反射形成回音壁模式共振；偏振控制器用于控制输入锥形光纤的激光偏振态；光电探测器用于记录并分析锥形光纤-混合介质微腔耦合装置输出端的回音壁模式透射谱；

混合介质微腔由光学微腔镀上高折射率膜层构成，混合介质微腔表面附有等离子体纳米微粒，微腔被空气或者生化液体等包裹。回音壁模式微腔本身就具有高q值、能量密度高的优点，通过构建混合介质微腔，在高折射率膜层两侧形成全反射，进一步提高回音壁模微腔的q值，提高能量密度，延长光子寿命，微腔表面倏逝场更强从而增强其激发表面等离子体效应的能力，与外界物理量互作用强度和时间增加，提高了灵敏度。结合表面等离子体效应，传感器周围环境微小的变化都会引起微腔表面有效折射率和光场分布的变化，从而导致回音壁模式共振谱的变化。通过光电探测器检测并分析共振谱特性，即可以实现对待测物的传感测试。

如图2所示为普通微腔与混合介质微腔所激发的表面等离子体效应对比图。其中左侧图为纯介质微腔，右侧为混合介质微腔；(a)为微球腔赤道面模场分布，(b)为微球腔横截面模场分布，图中放大区域为微腔所激发的表面等离子体效应。两微腔半径均为30μm，混合介质微腔外侧包覆一层厚度0.3μm，折射率2.38的膜层。产生表面等离子体效应的微粒为纳米金粒，长轴42nm，短轴12nm，与微腔最外侧相距13nm。

如图3为沿微球腔径向电场强度随微球腔半径的变化关系。各参数设定与图2所述一致，其中，虚线和实线分别为纯介质微腔和混合介质微腔激发表面等离子体效应后回音壁模式场强度随微腔随半径分布的对比图。由图可知，混合结构回音壁模式微腔表面等离子体效应激发光场强度得到显著加强。

被测物质与spr增强的混合介质微腔回音壁模场互作用时，光场分布发生变化，输出的激光谐振谱线将发生强度或中心波长的改变，因此本发明所提出的表面等离子体增强型混合介质回音壁模式微腔传感器具有极高灵敏度的优势。

以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。