基于表面等离激元激光的折射率传感器及探测系统和方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及液体折射率探测，具体涉及一种基于表面等离激元激光的折射率传感 器及探测系统和方法。
【背景技术】
[0002] 表面等离激元SP(Surface Plasmon)是一种局域在金属/介质界面的局域电磁模 式，通过将光频段的电磁波与贵金属中的自由电子的振荡耦合，将电磁场的能量限制在更 小的尺度内。该模式的振荡频率由贵金属与其周围环境的折射率共同决定，因此对周围环 境的折射率非常敏感。通过探测由周围折射率变化引起的等离激元共振模式的变化形成的 表面等离激元共振SPR(Surface Plasmon resonance)折射率探测器是一种非接触式的、实 时和不需要荧光标记的新型探测器。近20年以来，其在疾病诊断、生物化学研究与应用和环 境监控等领域取得了非常大的成功。该探测器中的表面等离激元激发一般通过棱镜耦合或 光栅耦合等方式将入射探测光与表面等离激元的传播常数匹配以激发表面等离激元。因此 该方法需要精确地调控激射光的入射角度，难以实现集成和小型化。
[0003] 另外一种表面等离激元，局域型表面等离激元最近被发展用来作为折射率探测 器。局域型表面等离激元LSPR(localized surface plasmonresonance)可以通过将激发光 直接照射于金属纳米颗粒、金属表面纳米孔或其它纳米结构直接激发。利用局域表面等离 激元共振对于特定光波长的吸收，通过观测不同局域环境折射率下激发光的散射谱的变化 来进行检测。但是相比于SPR探测器来说，LSPR探测器的灵敏度要低数个量级。只有当待探 测物在纳米量级尺度靠近LSPR探测器的时候，其灵敏度才能和SPR探测器相当。
[0004] 不管对于SPR探测器还是LSPR探测器，用于产生等离激元共振的金属中自由电子 的振荡所带来的欧姆损耗，从基本物理原理上来讲，都是进一步提高探测器灵敏度的障碍。 由于极高的金属欧姆损耗，在可见和近红外波段SPR和LSPR的谐振线宽大约为几十到上百 纳米。其对应的品质因子只有1-10左右，极大地限制了传感器的灵敏度。
[0005] 激光即受激福射的光放大(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)，激光的波长在腔的形状和增益介质的能级宽度不变的情况下依赖于激光腔内 和外界环境的折射率。在激射状态下增益介质的增益补偿了辐射损耗和其它损耗，使得激 光的线宽很窄，可小于一纳米，具有很高的品质因子。
【发明内容】
[0006]由于表面等尚激兀对于折射率具有$父尚的敏感性，而激光又具有很尚的品质因 子，如果将二者的优势耦合到传感器探测中，将对生物、化学、医学等相关探测领域的目标 样品的准确、快速、实时测量具有非常重要的意义。如在生物探测中，在传感器芯片上修饰 链霉亲和素，使其可以结合样品中的生物素，因而可以通过探测折射率的变化，实现对生物 素浓度的高灵敏探测。通过类似的方法在医学领域可以进行癌细胞、DNA、RNA浓度的准确， 快速，实时测量;在健康领域可以对农药残留，环境污染物进行检测，因此具有极佳的推广 范围和应用价值。但是，由于目前很难在室温下产生表面等离激元激光，且很难在溶液中保 持稳定激射，因此尚未有基于表面等离激元激光的折射率传感器见诸报道。如何将表面等 离激元与激光性能优势耦合，构筑更加小型化和高集成化的新型折射率传感器并实现其高 灵敏度的探测是一个难题。
[0007] 本发明提出了一种基于表面等离激元激光的折射率传感器及探测系统和方法，利 用高质量增益介质层以及金属层使得该传感器可以在室温下产生表面等离激元激光，且可 在溶液中稳定激射，通过测量产生的表面等离激元激光的波长和强度，实现折射率探测的 目的。
[0008] 本发明的一个目的在于提出一种基于表面等离激元激光的折射率传感器。
[0009] 本发明的基于表面等离激元激光的折射率传感器包括:金属层和增益介质层;其 中，增益介质层形成在金属层上;在增益介质层和金属层的界面上形成表面等离激元模式， 此模式在其传播方向遇到增益介质层的边界时获得光学反馈限制从而形成表面等离激元 激光腔;待测液体覆盖在增益介质层上;激发光经过待测液体入射至增益介质层，增益介质 层在激发光的栗浦下产生受激辐射，经由激光腔反馈放大产生表面等离激元激光，该表面 等离激元激光的波长和强度与待测液体的折射率有关。
[0010] 本发明的折射率传感器可以布置在衬底上;衬底的材料为硅、二氧化硅或蓝宝石。 [0011 ]金属层为金、银和错其中之一;金属层的厚度大于10nm。通过磁控派射、电子束蒸 发或热蒸镀的方法镀在衬底上。
[0012]进一步，本发明还包括绝缘介质层，设置在金属层和增益介质层之间。绝缘介质层 为二氟化镁、氟化锂、三氧化二铝和二氧化娃其中之一;厚度在〇. 1~50nm之间。通过电子束 蒸发、原子层沉积的方法沉积在金属层上。
[0013]增益介质层采由发光半导体或者掺有激光染料分子的介质形成，以提供光学增益 的材料;厚度在20~400nm之间；发光半导体采用硫化镉、硒化镉、氧化锌、砷化镓和磷砷化 镓铟中的一种;掺有激光染料分子的介质采用罗丹明或荧光素钠;增益介质层的形状为能 够形成反馈的激光腔的形状，如线形、带形、三角形、四边形、多边形和圆形，形成F-P (Fabry-P6rot)激光腔或￥-6(胃11丨8?61-63116巧)激光腔 ;发光半导体通过气相沉积法(^)、 金属-有机化学气相沉积(M0CVD)、分子束外延(MBE)、水热法等方法进行生长。掺有激光染 料分子的介质通过直接掺入或者扩散的方法将染料分子掺入介质中。
[0014] 本发明采用增益介质层作为增益介质，在激发光的照射下发生电子跃迀，实现粒 子数反转，当激发光栗浦功率超过激射阈值时，发生受激辐射，经由激光腔反馈放大产生增 益介质层和金属层的界面上表面等离激元模式的激光。
[0015] 本发明在金属层与增益介质层之间设置低折射率的绝缘介质层，由于其较低的折 射率，可以将电场更好的限制在绝缘介质层，同时避免增益介质层中由于被激发光激发产 生的光生载流子与金属层中的载流子发生非辐射复合。从而有利于形成表面等离激元激 光。
[0016] 增益介质层作为激光腔，当长度为L时，由其确定的表面等离激元激光波长λ为
，其中，nrff为表面等离激元激光对应的有效折射率，m为表面等离激元激光对应的 模式阶数。可通过对激光腔的形状和大小的选择以及增益介质层的选择，使得在激发光激 发下，表面等离激元激光对应的模式阶数不发生改变。对于同一个表面等离激元激光模式， 即m固定时，波长的大小取决于有效折射率neff，neff又取决于折射率传感器的形状、折射率 和位于折射率传感器上的待测液体的折射率大小。由此可见，折射率传感器的折射率一定 时，不同的待测液体，对应的表面等离激元激光的波长随之发生改变，从而通过探测表面等 离激元激光的波长，得到待测液体的折射率。
[0017] 利用波长的变化测量折射率时，折射率传感器在波长检测时可具有灵敏度心=八 λ/ △ η和品质因子
，其中A η和△ λ分别为待测液体的折射率变化和表面等 离激元激光波长的变化，FWHM(full width at half maximum)为测得的表面等离激元激光 峰的半高全宽。由于表面等离激元激光具有很高的品质因子，其半高全宽远小于基于LSPR 和SPR的折射率传感器，因此本发明的折射率传感器的波长灵敏度和品质因子高于基于 LSPR和SPR的折射率传感器。
[0018] 与此同时，折射率变化造成的表面等离激元激光的峰