[发明专利]一种侧激发Kretschmann型波导SPR传感器的制备方法

说明书

本发明提供一种新型侧激发波导SPR传感器的制备方法，包括如下步骤：步骤A，在晶体片的上表面制备两条相互交叉的波导，分别作为入射、出射波导；步骤B，用精密金刚石刀切割的方法，在两波导交叉处位置切割形成一凹槽，所述凹槽的走向要求为两波导与凹槽内侧壁形成的夹角相等，且两波导位于凹槽同侧；步骤C，在凹槽中靠近波导一侧的侧壁上，沉积一层约几十纳米厚度的金属薄层。该方案可以实现各类晶体波导的表面等离子体共振的相位匹配，从而实现基于不同种类晶体材料的波导SPR传感功能。另外，通过结构参数的调节，可以对共振波长及灵敏度实现较大范围的自由调节。

技术领域

本发明属于光学传感领域，特别涉及到一种侧激发Kretschmann型波导SPR传感器的制备方法。

背景技术

表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）是实现光学传感的一种重要方法，目前应用最广泛的SPR传感器是利用Kretschmann结构，即使用准直激光束照射高折射率棱镜侧面，通过棱镜来激发金属薄层与待测物质界面处的表面等离激元。当角度或波长达到特定值时，发生共振，反射谱上则出现一个吸收峰，通过读取吸收峰的位置，可以反推出待测样品的折射率信息，从而实现传感功能。SPR传感器具有较高的探测灵敏度，在生化传感、医学诊断等领域具有广泛的应用。

然而，传统的棱镜型SPR传感器体积较为庞大，便携性差，不适合非实验室环境的探测需求，因此，SPR传感器的小型化、集成化受到了研究者的广泛关注。其替代方案主要包括光纤型SPR传感器及波导SPR传感器。

光纤SPR传感器需要经过研磨、刻蚀、拉锥等方式将倏逝场引出，或使用多芯光纤、D型光纤等昂贵的特种光纤，除了成本问题外，这些额外的加工过程会造成光纤的机械性能严重下降，易变形或断裂，从而限制了其实际应用。光纤类传感器的另外一个问题是容易受到震动、温度等无关因素的扰动，造成交叉响应，从而影响对结果的判断。

与之相比，波导传感器的机械性能稳定，不易受到震动等因素的干扰。然而，目前波导SPR传感器主要是利用贵金属表面覆层的结构实现表面等离激元的激发。考虑到生化探测主要是针对1.33-1.40左右折射率的液体样品进行探测，为了达到相位匹配，只能选取低折射率玻璃类材料来制备波导SPR传感器的波导结构。由于可供选取的材料种类（折射率范围）十分有限，其共振波长不易调节，而传感灵敏度也被锁死，无法进一步提高。另外，由于共振波长固定，也无法基于现有波导SPR传感方案开发单通道、多参量的SPR传感器，这无疑对实用型波导SPR传感器的进一步开发形成了限制。

近年来，基于飞秒激光写入、离子注入、金属离子热扩散等技术在各类晶体材料中制备光波导的技术日益成熟。晶体材料具有丰富的电光、声光特性，可以为SPR传感器提供更多的调控选择，另外，晶体材料种类繁多，其折射率选择范围广（例如，MgF2晶体在可见光波段的折射率约为1.38；而硅单晶在600nm附近的折射率高达3.95左右），这些都为SPR传感器的共振波长调节、灵敏度调节提供了更多选择。然而，由于前述相位匹配的要求，大部分晶体材料无法采用现有金属覆层结构实现SPR传感。因此，开发基于各类晶体材料的波导SPR传感器，对于该类传感器性能的进一步提升及实用化具有重要意义。

发明内容

为克服上述不足，本发明提供一种新型侧激发波导SPR传感器的制备方法。该方案可以实现各类晶体波导的表面等离子体共振的相位匹配，从而实现基于不同种类晶体材料的波导SPR传感功能。另外，通过结构参数的调节，可以对共振波长及灵敏度实现较大范围的自由调节。

本申请采用的技术方案是：本发明采用的技术方案如下：

步骤A: 在晶体片的上表面通过离子注入、钛离子热扩散、飞秒激光写入等方式制备两条相互交叉的波导，分别作为入射、出射波导。两波导的夹角根据晶体折射率、需要得到的共振波长范围、传感灵敏度等因素，通过计算得到。具体设计中，可以使用传输矩阵法或有限时域差分法的计算结果作为设计依据。