[发明专利]基于D型光纤和纳米环形腔的在线分子检测器及制作方法

说明书

本发明公开了一种基于D型光纤和纳米环形腔的在线分子检测器及制作方法，该检测器的主要结构是非对称纳米环形腔阵列、侧抛的D型光纤和光纤连接头。在侧抛的D型光纤的侧抛表面加工纳米环形腔阵列，环形腔由半导体增益材料和金属材料交替形成，从而提高表面等离激元信号强度并调制圆柱形表面等离激元波长，同时环形腔内结构形状设计为非对称，从而实现偏振敏感性；腔表面由一层5nm介质隔离保护。D型光纤一端入射激发光，激发金属环形腔内的表面等离激元效应，使环内电场强度显著增强，从而激发金属环表面吸附分子的SERS信号，信号耦合回D型光纤内，通过光纤另一端接收。本发明形成的分子检测器可以在线监测，适用于微量监测。

技术领域

本发明涉及一种基于D型光纤和纳米环形腔的在线分子检测器及制作方法，属于电子通讯与信息工程领域。

背景技术

表面增强拉曼散射(Surface-Enhanced Raman Scattering,SERS)技术是在普通拉曼上发展起来的新一代检测技术。与普通拉曼散射技术相比,表面增强拉曼散射技术具有选择性好、灵敏度高的特点，并可实现对单个分子的检测,近年已成为环境监测、生物化学传感、疾病诊断等领域常用分析手段。

当电磁波入射到金属与介质分界面时，金属表面的自由电子发生集体振荡，电磁波与金属表面自由电子耦合而形成一种沿着金属表面传播的近场电磁波，如果电子的振荡频率与入射光波的频率一致就会产生共振，在共振状态下电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能，这时就形成的一种特殊的电磁模式：电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强，这种现象就被称为表面等离激元现象。

表面等离激元具有很强局域电场强度，在化学生物传感、光波导透射增强等方向有诱人的应用前景。随着纳米加工技术的发展，表面等离激元因其能够制造亚波长尺寸光子器件的潜力，重新引起人们的研究兴趣。但是目前的纳米加工技术效率较低，一般适用于实验室研究，难以规模生产。

传感器件的小型化一直是人们努力追求的目标，光电传感器件尺寸降低到纳米尺度是目前研究人员正在努力的方向。光纤传输具有很强的优越性，一根细细的光纤可以同时传输数万人甚至上亿路电话，可以传输数千套电视节目，这是其他传输手段无法比拟的。其次，光纤传输的是光信号，它不受外界电磁场的干扰，也不怕潮湿、不怕腐蚀，具有无污染、保密性强等特点。光纤传输信号的损耗也小，只有电缆的十分之一。因此设计的结构非常微小，方便携带和使用。

光纤中的导模在纤芯和包层的分界面上产生全反射，大部分能量都集中在纤芯中，但是有一部分能量会渗透到包层和外界环境中去，它是一种强度沿光纤径向呈指数衰减的电磁波，称为光纤的倏逝场。而光纤越接近外界环境，越多的能量就会渗透出去，外界与光纤的相互作用也就越强。

由于D型光纤结构具有非圆对称性，它的纤芯比常规单模光纤更接近外界环境，所以外界与光纤的相互作用比普通单模光纤强。这使得D型光纤可以应用于能量耦合，传感器传感，弯曲传感等许多场合。另外，D型光纤具有的泄露模有各种波矢，能够激发环形腔内的表面等离激元，让分子在高电场强度下辐射出拉曼信号光并耦合进光纤传出以待检测。

单层微球的制备有很多简便的方法，包括滴涂法、蘸涂法、旋涂法、电泳沉积法、气液界面的自组装法等。用这些方法能够形成不同形式的单层微球阵列，如六角密排单层微球阵列、非密排微球阵列、图案化微球阵列和二元微球阵列。同时，合理结合成熟的微加工技术，可以灵活的对单层微球阵列的大小、形状、朝向、周期和结构的成分或性质进行调控。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于D型光纤和纳米环形腔的在线分子检测器及制作方法，针对光纤在线分子检测和高强度电场下辐射的拉曼信号以增加分析准确性。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：