基于表面等離激元激光的折射率傳感器及探測系統(tǒng)和方法
【技術領域】
[0001 ]本發(fā)明涉及液體折射率探測，具體涉及一種基于表面等離激元激光的折射率傳感 器及探測系統(tǒng)和方法。
【背景技術】
[0002] 表面等離激元SP(Surface Plasmon)是一種局域在金屬/介質界面的局域電磁模 式，通過將光頻段的電磁波與貴金屬中的自由電子的振蕩耦合，將電磁場的能量限制在更 小的尺度內。該模式的振蕩頻率由貴金屬與其周圍環(huán)境的折射率共同決定，因此對周圍環(huán) 境的折射率非常敏感。通過探測由周圍折射率變化引起的等離激元共振模式的變化形成的 表面等離激元共振SPR(Surface Plasmon resonance)折射率探測器是一種非接觸式的、實 時和不需要熒光標記的新型探測器。近20年以來，其在疾病診斷、生物化學研究與應用和環(huán) 境監(jiān)控等領域取得了非常大的成功。該探測器中的表面等離激元激發(fā)一般通過棱鏡耦合或 光柵耦合等方式將入射探測光與表面等離激元的傳播常數匹配以激發(fā)表面等離激元。因此 該方法需要精確地調控激射光的入射角度，難以實現集成和小型化。
[0003] 另外一種表面等離激元，局域型表面等離激元最近被發(fā)展用來作為折射率探測 器。局域型表面等離激元LSPR(localized surface plasmonresonance)可以通過將激發(fā)光 直接照射于金屬納米顆粒、金屬表面納米孔或其它納米結構直接激發(fā)。利用局域表面等離 激元共振對于特定光波長的吸收，通過觀測不同局域環(huán)境折射率下激發(fā)光的散射譜的變化 來進行檢測。但是相比于SPR探測器來說，LSPR探測器的靈敏度要低數個量級。只有當待探 測物在納米量級尺度靠近LSPR探測器的時候，其靈敏度才能和SPR探測器相當。
[0004] 不管對于SPR探測器還是LSPR探測器，用于產生等離激元共振的金屬中自由電子 的振蕩所帶來的歐姆損耗，從基本物理原理上來講，都是進一步提高探測器靈敏度的障礙。 由于極高的金屬歐姆損耗，在可見和近紅外波段SPR和LSPR的諧振線寬大約為幾十到上百 納米。其對應的品質因子只有1-10左右，極大地限制了傳感器的靈敏度。
[0005] 激光即受激福射的光放大(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)，激光的波長在腔的形狀和增益介質的能級寬度不變的情況下依賴于激光腔內 和外界環(huán)境的折射率。在激射狀態(tài)下增益介質的增益補償了輻射損耗和其它損耗，使得激 光的線寬很窄，可小于一納米，具有很高的品質因子。
【發(fā)明內容】
[0006]由于表面等尚激兀對于折射率具有$父尚的敏感性，而激光又具有很尚的品質因 子，如果將二者的優(yōu)勢耦合到傳感器探測中，將對生物、化學、醫(yī)學等相關探測領域的目標 樣品的準確、快速、實時測量具有非常重要的意義。如在生物探測中，在傳感器芯片上修飾 鏈霉親和素，使其可以結合樣品中的生物素，因而可以通過探測折射率的變化，實現對生物 素濃度的高靈敏探測。通過類似的方法在醫(yī)學領域可以進行癌細胞、DNA、RNA濃度的準確， 快速，實時測量;在健康領域可以對農藥殘留，環(huán)境污染物進行檢測，因此具有極佳的推廣 范圍和應用價值。但是，由于目前很難在室溫下產生表面等離激元激光，且很難在溶液中保 持穩(wěn)定激射，因此尚未有基于表面等離激元激光的折射率傳感器見諸報道。如何將表面等 離激元與激光性能優(yōu)勢耦合，構筑更加小型化和高集成化的新型折射率傳感器并實現其高 靈敏度的探測是一個難題。
[0007] 本發(fā)明提出了一種基于表面等離激元激光的折射率傳感器及探測系統(tǒng)和方法，利 用高質量增益介質層以及金屬層使得該傳感器可以在室溫下產生表面等離激元激光，且可 在溶液中穩(wěn)定激射，通過測量產生的表面等離激元激光的波長和強度，實現折射率探測的 目的。
[0008] 本發(fā)明的一個目的在于提出一種基于表面等離激元激光的折射率傳感器。
[0009] 本發(fā)明的基于表面等離激元激光的折射率傳感器包括:金屬層和增益介質層;其 中，增益介質層形成在金屬層上;在增益介質層和金屬層的界面上形成表面等離激元模式， 此模式在其傳播方向遇到增益介質層的邊界時獲得光學反饋限制從而形成表面等離激元 激光腔;待測液體覆蓋在增益介質層上;激發(fā)光經過待測液體入射至增益介質層，增益介質 層在激發(fā)光的栗浦下產生受激輻射，經由激光腔反饋放大產生表面等離激元激光，該表面 等離激元激光的波長和強度與待測液體的折射率有關。
[0010] 本發(fā)明的折射率傳感器可以布置在襯底上;襯底的材料為硅、二氧化硅或藍寶石。 [0011 ]金屬層為金、銀和錯其中之一;金屬層的厚度大于10nm。通過磁控派射、電子束蒸 發(fā)或熱蒸鍍的方法鍍在襯底上。
[0012]進一步，本發(fā)明還包括絕緣介質層，設置在金屬層和增益介質層之間。絕緣介質層 為二氟化鎂、氟化鋰、三氧化二鋁和二氧化娃其中之一;厚度在〇. 1~50nm之間。通過電子束 蒸發(fā)、原子層沉積的方法沉積在金屬層上。
[0013]增益介質層采由發(fā)光半導體或者摻有激光染料分子的介質形成，以提供光學增益 的材料;厚度在20~400nm之間；發(fā)光半導體采用硫化鎘、硒化鎘、氧化鋅、砷化鎵和磷砷化 鎵銦中的一種;摻有激光染料分子的介質采用羅丹明或熒光素鈉;增益介質層的形狀為能 夠形成反饋的激光腔的形狀，如線形、帶形、三角形、四邊形、多邊形和圓形，形成F-P (Fabry-P6rot)激光腔或￥-6(胃11丨8?61-63116巧)激光腔 ;發(fā)光半導體通過氣相沉積法(^)、 金屬-有機化學氣相沉積(M0CVD)、分子束外延(MBE)、水熱法等方法進行生長。摻有激光染 料分子的介質通過直接摻入或者擴散的方法將染料分子摻入介質中。
[0014] 本發(fā)明采用增益介質層作為增益介質，在激發(fā)光的照射下發(fā)生電子躍迀，實現粒 子數反轉，當激發(fā)光栗浦功率超過激射閾值時，發(fā)生受激輻射，經由激光腔反饋放大產生增 益介質層和金屬層的界面上表面等離激元模式的激光。
[0015] 本發(fā)明在金屬層與增益介質層之間設置低折射率的絕緣介質層，由于其較低的折 射率，可以將電場更好的限制在絕緣介質層，同時避免增益介質層中由于被激發(fā)光激發(fā)產 生的光生載流子與金屬層中的載流子發(fā)生非輻射復合。從而有利于形成表面等離激元激 光。
[0016] 增益介質層作為激光腔，當長度為L時，由其確定的表面等離激元激光波長λ為
，其中，nrff為表面等離激元激光對應的有效折射率，m為表面等離激元激光對應的 模式階數?？赏ㄟ^對激光腔的形狀和大小的選擇以及增益介質層的選擇，使得在激發(fā)光激 發(fā)下，表面等離激元激光對應的模式階數不發(fā)生改變。對于同一個表面等離激元激光模式， 即m固定時，波長的大小取決于有效折射率neff，neff又取決于折射率傳感器的形狀、折射率 和位于折射率傳感器上的待測液體的折射率大小。由此可見，折射率傳感器的折射率一定 時，不同的待測液體，對應的表面等離激元激光的波長隨之發(fā)生改變，從而通過探測表面等 離激元激光的波長，得到待測液體的折射率。
[0017] 利用波長的變化測量折射率時，折射率傳感器在波長檢測時可具有靈敏度心=八 λ/ △ η和品質因子
，其中A η和△ λ分別為待測液體的折射率變化和表面等 離激元激光波長的變化，FWHM(full width at half maximum)為測得的表面等離激元激光 峰的半高全寬。由于表面等離激元激光具有很高的品質因子，其半高全寬遠小于基于LSPR 和SPR的折射率傳感器，因此本發(fā)明的折射率傳感器的波長靈敏度和品質因子高于基于 LSPR和SPR的折射率傳感器。
[0018] 與此同時，折射率變化造成的表面等離激元激光的峰