本發(fā)明涉及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及表面等離子體增強(qiáng)型混合介質(zhì)回音壁模式微腔傳感器。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代生物化工的發(fā)展，出現(xiàn)越來(lái)越多極微小微粒的檢測(cè)場(chǎng)景，對(duì)光學(xué)傳感器的靈敏度提出了更高的要求。

表面等離子體共振(surfaceplasmonresonance,spr)生物化學(xué)傳感器是一種基于金屬表面等離子體共振效應(yīng)的光學(xué)傳感器，具有無(wú)需對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行標(biāo)記、靈敏度高等優(yōu)勢(shì)。spr效應(yīng)是一種光學(xué)現(xiàn)象，倏逝波入射至等離子體納米微粒表面，在表面上造成呈梯度排布的電子濃度分布，形成等離子體振蕩。入射角或波長(zhǎng)滿足特定條件時(shí)，倏逝波頻率與微粒表面振蕩的自由電子(等離子)頻率相同，則微粒表面的等離子就吸收入射光的能量發(fā)生共振，這就是spr效應(yīng)。

然而，等離子體傳感器的靈敏度受以下因素影響：一是折射率變化對(duì)共振波長(zhǎng)的影響，二是等離子體共振波長(zhǎng)的轉(zhuǎn)化率。傳統(tǒng)的spr傳感器由于紅外波長(zhǎng)損耗大、傳輸距離短，仍然存在著衰減大、互作用強(qiáng)度受限等不足之處。

眾多研究證明，光學(xué)微腔具有高q值特性，其腔內(nèi)光子壽命長(zhǎng)、光功率密度大，光場(chǎng)在微腔內(nèi)全反射傳輸與干涉形成的回音壁模式共振對(duì)外界物理量的微弱變化具有很強(qiáng)的感應(yīng)能力，能夠提供高精度、高靈敏度、快速、無(wú)標(biāo)記的檢測(cè)手段。2008年，vollmer等人通過(guò)監(jiān)測(cè)微腔傳感器輸出端諧振頻率的飄移，實(shí)現(xiàn)了hiv病毒微粒的檢測(cè)。將spr與微腔結(jié)合，能夠進(jìn)一步提高其傳感靈敏度。2014年，張興旺等人利用微瓶腔表面的倏逝場(chǎng)激發(fā)納米金粒，使基于spr效應(yīng)的微腔傳感器靈敏度提高了約16倍。然而，對(duì)于普通純介質(zhì)微腔，在其表面增加金屬顆粒會(huì)增加微腔表面散射，從而降低了微腔q值，限制了傳感器靈敏度的進(jìn)一步提升。

隨著現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)、生化檢驗(yàn)的發(fā)展，各種微量、測(cè)試相關(guān)領(lǐng)域?qū)鈱W(xué)傳感器的精度、檢測(cè)效率和靈敏度提出了更高的要求。仍然需要結(jié)合結(jié)構(gòu)和材料來(lái)改進(jìn)現(xiàn)有傳感器的靈敏度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，提出了一種表面等離子體增強(qiáng)型混合介質(zhì)回音壁模式微腔傳感器。該傳感器是在純介質(zhì)微腔表面鍍高折射率膜層的方式構(gòu)造高q值混合介質(zhì)微腔，再使其表面附著表面等離子體納米微粒，將混合介質(zhì)微腔回音壁模式共振增強(qiáng)效應(yīng)與spr效應(yīng)相結(jié)合，充分利用混合介質(zhì)微腔回音壁模場(chǎng)對(duì)外界物理量的高度敏感特性以及spr局域增強(qiáng)效應(yīng)的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)高靈敏度傳感。本發(fā)明所有器件采用全光纖耦合形式，具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)，在生物化學(xué)微量實(shí)時(shí)檢測(cè)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

本發(fā)明為達(dá)到上述效果所采取的技術(shù)方案是該微腔傳感器包括可調(diào)諧激光器、偏振控制器、錐形光纖、混合介質(zhì)微腔、等離子體納米微粒、光電探測(cè)器，所述可調(diào)諧激光器輸出的激光通過(guò)錐形光纖耦合進(jìn)入混合介質(zhì)微腔，并在其內(nèi)全反射形成回音壁模式共振；偏振控制器用于控制輸入錐形光纖的激光偏振態(tài)；光電探測(cè)器用于記錄并分析由錐形光纖和混合介質(zhì)微腔構(gòu)成的耦合系統(tǒng)輸出端的回音壁模式透射譜；所述混合介質(zhì)微腔由光學(xué)微腔表面鍍上高折射率膜層構(gòu)成，混合介質(zhì)微腔的表面上附有等離子體納米微粒，混合介質(zhì)微腔置于被測(cè)物理量當(dāng)中。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述混合介質(zhì)微腔為圓對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述圓對(duì)稱結(jié)構(gòu)包括微球腔、微環(huán)腔、微盤腔、微管腔、微環(huán)芯腔、微泡腔。

作為本發(fā)明所述的一種表面等離子體增強(qiáng)型混合介質(zhì)回音壁模式微腔傳感器進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述光學(xué)微腔表面鍍上高折射率膜層為通過(guò)鍍膜方式在微腔內(nèi)表面或外表面形成高折射率膜層。

作為本發(fā)明所述的一種表面等離子體增強(qiáng)型混合介質(zhì)回音壁模式微腔傳感器進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述混合介質(zhì)微腔的表面上附有等離子體納米微粒是指微腔的內(nèi)表面或外表面附近至少附著一個(gè)等離子體納米微粒，以激發(fā)表面等離子體效應(yīng)。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明利用純介質(zhì)微腔表面鍍高折射率膜層方式的構(gòu)造混合介質(zhì)微腔，具有更高的q值，微腔表面倏逝場(chǎng)更強(qiáng)，與外界物理量互作用強(qiáng)度和時(shí)間增加，提高了靈敏度；

(2)將納米顆粒附于混合介質(zhì)微腔表面，增強(qiáng)了表面spr局域場(chǎng)強(qiáng)度，提高了傳感器的靈敏度；

(3)本發(fā)明所有器件采用全光纖耦合形式，具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)，在生物化學(xué)微量實(shí)時(shí)檢測(cè)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

附圖說(shuō)明

圖1為表面等離子體增強(qiáng)型混合介質(zhì)回音壁模式微腔傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為普通微腔與混合介質(zhì)微腔所激發(fā)的表面等離子體效應(yīng)對(duì)比圖。

圖3為激發(fā)表面等離子體效應(yīng)后不同微腔隨半徑變化的回音壁模式場(chǎng)強(qiáng)度分布對(duì)比圖，其中，虛線為純介質(zhì)微腔，實(shí)線為混合介質(zhì)微腔。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明：

本發(fā)明是利用回音壁模式混合介質(zhì)微腔激發(fā)表面等離子體效應(yīng)的方法，利用其對(duì)外界物理場(chǎng)微小變化的敏感特性實(shí)現(xiàn)傳感探測(cè)，結(jié)合高q值混合介質(zhì)微腔回音壁模式共振增強(qiáng)與表面等離子體局域增強(qiáng)效應(yīng)的優(yōu)勢(shì)提高傳感靈敏度，準(zhǔn)確測(cè)試微腔周圍的被測(cè)物理量。下面就對(duì)本發(fā)明的具體技術(shù)方案進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。

如圖1所示為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，一種表面等離子體增強(qiáng)型混合介質(zhì)回音壁模式微腔傳感器，包括可調(diào)諧激光器、偏振控制器、錐形光纖、混合介質(zhì)微腔、等離子體納米微粒、光電探測(cè)器?？烧{(diào)諧激光器輸出的光通過(guò)錐形光纖耦合進(jìn)入混合介質(zhì)微腔并在其內(nèi)全反射形成回音壁模式共振；偏振控制器用于控制輸入錐形光纖的激光偏振態(tài)；光電探測(cè)器用于記錄并分析錐形光纖-混合介質(zhì)微腔耦合裝置輸出端的回音壁模式透射譜；

混合介質(zhì)微腔由光學(xué)微腔鍍上高折射率膜層構(gòu)成，混合介質(zhì)微腔表面附有等離子體納米微粒，微腔被空氣或者生化液體等包裹?；匾舯谀Ｊ轿⑶槐旧砭途哂懈遯值、能量密度高的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)構(gòu)建混合介質(zhì)微腔，在高折射率膜層兩側(cè)形成全反射，進(jìn)一步提高回音壁模微腔的q值，提高能量密度，延長(zhǎng)光子壽命，微腔表面倏逝場(chǎng)更強(qiáng)從而增強(qiáng)其激發(fā)表面等離子體效應(yīng)的能力，與外界物理量互作用強(qiáng)度和時(shí)間增加，提高了靈敏度。結(jié)合表面等離子體效應(yīng)，傳感器周圍環(huán)境微小的變化都會(huì)引起微腔表面有效折射率和光場(chǎng)分布的變化，從而導(dǎo)致回音壁模式共振譜的變化。通過(guò)光電探測(cè)器檢測(cè)并分析共振譜特性，即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)物的傳感測(cè)試。

如圖2所示為普通微腔與混合介質(zhì)微腔所激發(fā)的表面等離子體效應(yīng)對(duì)比圖。其中左側(cè)圖為純介質(zhì)微腔，右側(cè)為混合介質(zhì)微腔；(a)為微球腔赤道面模場(chǎng)分布，(b)為微球腔橫截面模場(chǎng)分布，圖中放大區(qū)域?yàn)槲⑶凰ぐl(fā)的表面等離子體效應(yīng)。兩微腔半徑均為30μm，混合介質(zhì)微腔外側(cè)包覆一層厚度0.3μm，折射率2.38的膜層。產(chǎn)生表面等離子體效應(yīng)的微粒為納米金粒，長(zhǎng)軸42nm，短軸12nm，與微腔最外側(cè)相距13nm。

如圖3為沿微球腔徑向電場(chǎng)強(qiáng)度隨微球腔半徑的變化關(guān)系。各參數(shù)設(shè)定與圖2所述一致，其中，虛線和實(shí)線分別為純介質(zhì)微腔和混合介質(zhì)微腔激發(fā)表面等離子體效應(yīng)后回音壁模式場(chǎng)強(qiáng)度隨微腔隨半徑分布的對(duì)比圖。由圖可知，混合結(jié)構(gòu)回音壁模式微腔表面等離子體效應(yīng)激發(fā)光場(chǎng)強(qiáng)度得到顯著加強(qiáng)。

被測(cè)物質(zhì)與spr增強(qiáng)的混合介質(zhì)微腔回音壁模場(chǎng)互作用時(shí)，光場(chǎng)分布發(fā)生變化，輸出的激光諧振譜線將發(fā)生強(qiáng)度或中心波長(zhǎng)的改變，因此本發(fā)明所提出的表面等離子體增強(qiáng)型混合介質(zhì)回音壁模式微腔傳感器具有極高靈敏度的優(yōu)勢(shì)。

以上所述的具體實(shí)施方案，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方案而已，并非用以限定本發(fā)明的范圍，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的構(gòu)思和原則的前提下所做出的等同變化與修改，均應(yīng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。