[发明专利]一种法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器及其制备方法

说明书

本发明属于光学检测技术领域，具体为法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器及其制备方法。本发明的传感器为一个空心的石英微泡，微泡上、下半泡外表面分别镀有不同反射率的金属薄膜或多层高低折射率周期性交叉排列的介质薄膜，形成法布里珀罗结构的谐振腔；微泡的两端具有开口，用于与检测系统连接。在进行检测时，根据检测对象的生物化学分子特性，在微泡内表面进行硅烷化处理和官能化处理，使生物化学分子与其结合，以实现对生物分子特异性检测功能。本发明还包括基于光学微泡传感器的检测系统。本发明微泡传感器具有超高的品质因数，可以实现对超低微量浓度、超小物理量的化学生物试剂的检测；此微泡传感器制作方便，操作简单，整体设计成本较低。

技术领域

本发明属于光学检测技术领域，具体涉及法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器及其制备方法。

背景技术

光学方法很早就被用来进行生物化学物理样品的分析，基于光学方法的谐振腔，具有高品质因子（高Q值），很小的模式体积，非破坏性无侵害测量，不受电磁干扰，高灵敏度，高响应速度等优点，已经在诸多医疗领域进行应用。基于自集成法布里珀罗谐振的光学微泡传感器能够产生高品质因子（10⁴）的共振光，实现更长的作用量程。这些特点使得法布里珀罗谐振的光学微泡传感器可以测量很微小的共振波长变化，因此这类传感器被广泛应用于生物传感领域。

通常，FP谐振腔（即法布里珀罗（Fabry–Pérot resonance，FP）谐振腔）腔由两块保持高度平行的平面反射镜组成，其中两块平面反射镜之间的间距 L为微腔腔长。当光束在微腔内来回传播时，只有满足谐振条件（n_effL=mλ）的光可以形成驻波。其中n_eff为微腔内介质的有效折射率，L为微腔腔长，m为正整数，λ为微腔的谐振波长。反射镜的表面一般为镀有高低折射率薄介电质膜的周期布拉格结构，从而形成具有高反射率的薄膜，其中透射镜支持部分透射从而保证激光输出。

法布里帕罗微腔在本质上实用且方便，主要表现在：泵浦激光通过第一面高反射镜后，进入微泡并激发微泡中的增益介质，通过微泡的曲面及两块高度平行的平面反射镜的双重限制作用，可以达到很好的选模效果，容易产生单模激光。由于法布里帕罗微腔传感器中产生的激光光场与待测物质之间相互作用，可以实现待测物质的微量变化输出较为明显的光谱变化，使其在物理化学生物等检测中有较高的灵敏度。

现有的法布里帕罗微腔仅仅是依靠两块的平面反射镜组成[1,2],而保持两片平面反射镜的高度平行是非常困难的，即法布里珀罗谐振腔对其两个平面反射镜的平行性要求苛刻，在实际传感器制备中很难实现两块平面反射镜完全平行，最终无法产生激光或是产生高阶模式，导致实际样品探测中灵敏度下降。经过理论计算，发现由于两块反射镜无法保持高度平行而导致法布里帕罗微腔传感器的Q值下降，从而使法布里帕罗微腔传感器的品质因数下降；因此，在实际生物样品检测中不得不提高泵浦光的能量以实现比较明显的信号变化。但输入泵浦光能量增大，又会对生物化学样品结构产生破坏，尤其是活体生物或有机化学材料，在实际难以实用。

同时，双平面镜的法布里帕罗微腔对模式的选择效果不如双凹面镜。在实际应用中直接制作凹面镜，特别是制作具有低表面粗糙度和清晰几何结构的微米级凹面镜，仍然是一项复杂而昂贵的工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够保持高灵敏、又有高Q值的法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器及其制备方法。

本发明提供的法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器，为一个空心的石英微泡（即为中空石英微球），该石英微泡上、下半泡的外表面分别镀有不同反射率的金属薄膜或多层高低折射率周期性交叉排列的介质薄膜，形成法布里珀罗结构的谐振腔；石英微泡的两端具有开口；该两端开口用于与检测系统连接。

本发明中，石英微泡的几何尺寸为直径不超过1mm，壁厚不超过10μm。