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(zhì)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(nèi)。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(shù)匹配以激發(fā)表面等離激元。因此 該方法需要精確地調(diào)控激射光的入射角度，難以實現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(shù)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(chǎn)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(zhì)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(zhì)的能級寬度不變的情況下依賴于激光腔內(nèi) 和外界環(huán)境的折射率。在激射狀態(tài)下增益介質(zhì)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(zhì)因子。

【發(fā)明內(nèi)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(zhì)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(jié)合樣品中的生物素，因而可以通過探測折射率的變化，實現(xiàn)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(nóng)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(chǎn)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(gòu)筑更加小型化和高集成化的新型折射率傳感器并實現(xiàn)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(zhì)量增益介質(zhì)層以及金屬層使得該傳感器可以在室溫下產(chǎn)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(chǎn)生的表面等離激元激光的波長和強度，實現(xiàn)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(zhì)層;其 中，增益介質(zhì)層形成在金屬層上;在增益介質(zhì)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(zhì)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(zhì)層上;激發(fā)光經(jīng)過待測液體入射至增益介質(zhì)層，增益介質(zhì) 層在激發(fā)光的栗浦下產(chǎn)生受激輻射，經(jīng)由激光腔反饋放大產(chǎn)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(zhì)層，設置在金屬層和增益介質(zhì)層之間。絕緣介質(zhì)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(zhì)層采由發(fā)光半導體或者摻有激光染料分子的介質(zhì)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(zhì)采用羅丹明或熒光素鈉;增益介質(zhì)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(zhì)通過直接摻入或者擴散的方法將染料分子摻入介質(zhì)中。
[0014] 本發(fā)明采用增益介質(zhì)層作為增益介質(zhì)，在激發(fā)光的照射下發(fā)生電子躍迀，實現(xiàn)粒 子數(shù)反轉(zhuǎn)，當激發(fā)光栗浦功率超過激射閾值時，發(fā)生受激輻射，經(jīng)由激光腔反饋放大產(chǎn)生增 益介質(zhì)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(zhì)層之間設置低折射率的絕緣介質(zhì)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(zhì)層，同時避免增益介質(zhì)層中由于被激發(fā)光激發(fā)產(chǎn) 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(zhì)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(shù)?？赏ㄟ^對激光腔的形狀和大小的選擇以及增益介質(zhì)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(shù)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(zhì)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，F(xiàn)WHM(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(zhì)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(zhì)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