[发明专利]一种基于表面增强红外吸收光谱的狭缝光波导传感器及制备和检测方法

权利要求书

1.一种基于表面增强红外吸收光谱的狭缝光波导传感器，其特征在于，包括衬底、输入锥形耦合波导、输入矩形波导、传感波导、输出矩形波导和输出锥形耦合波导，所述输入锥形耦合波导、输入矩形波导、传感波导、输出矩形波导和输出锥形耦合波导设置于衬底上，所述输入锥形耦合波导的输入端用于输入中红外激光信号，所述输入锥形耦合波导的输出端与输入矩形波导的输入端相连，所述输入矩阵波导的输出端与传感波导的输入端相连，所述传感波导的输出端与输出矩形波导的输入端相连，所述输出矩形波导的输出端与输出锥形耦合波导的输入端相连，所述输出锥形耦合波导的输出端产生传感信号用于后续的光信号探测和处理；

所述传感波导中内嵌有金属天线且金属天线至少为1对；

所述传感波导包括金属天线、第三高折射率芯层和第三低折射率包层，所述第三高折射率芯层中间设置有狭缝，所述金属天线的一部分嵌入第三高折射率芯层上且处于第三高折射率芯层沿其厚度方向的中心位置，其另一部分悬浮于狭缝中，所述第三高折射率芯层为硫系玻璃，所述第三低折射率包层为空气；

所述第三高折射率芯层的宽度为2μm-10μm，其厚度为200nm-500nm，所述金属天线的宽度为50nm-1000nm，其厚度为20nm-100nm，位于狭缝两侧的两个金属天线之间缝隙的宽度为20nm-50nm，所述狭缝的宽度为80nm-200nm；

所述金属天线的长度为50nm-1000nm，且相连两对金属天线之间的间隔为50nm-300nm；

所述输入锥形耦合波导和输出锥形耦合波导均包括第一高折射率芯层和第一低折射率包层，所述第一高折射率芯层为硫系玻璃且位于衬底上，所述第一高折射率芯层截面为矩形结构，所述第一高折射率芯层沿着光传输方向为锥形结构，所述第一低折射率包层为空气；

所述输入矩形波导和输出矩形波导均包括第二高折射率芯层和第二低折射率包层，所述第二高折射率芯层为硫系玻璃且位于衬底上，所述第二高折射率芯层截面为矩形结构，所述第二高折射率芯层沿着光传输方向为均匀结构，所述第二低折射率包层为空气。

2.根据权利要求1所述的一种基于表面增强红外吸收光谱的狭缝光波导传感器，其特征在于，所述输入锥形耦合波导和输出锥形耦合波导的长度均为500nm-2000nm；所述输入矩形波导和输出矩形波导的长度为10μm-100μm；所述传感波导的长度为1μm-10μm。

3.根据权利要求1-2任一所述的一种基于表面增强红外吸收光谱的狭缝光波导传感器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：

步骤S101: 利用热蒸镀法和剥离法，在衬底上制备输入锥形耦合波导、输入矩形波导、输出矩形波导、输出锥形耦合波导，同时制备矩形形状的传感波导；

步骤S102：利用干法刻蚀，去除矩形传感波导的顶部；

步骤S103：利用干法刻蚀，制备传感波导的底部狭缝；

步骤S104：利用化学气相沉积，在狭缝中填充二氧化硅；

步骤S105：利用热蒸镀法和剥离法，制备金属天线；

步骤S106：利用化学气相沉积，在金属天线对之间的缝隙中填充二氧化硅；

步骤S107：通过热蒸镀和剥离法，在金属天线上制备硫系玻璃薄膜；

步骤S108：利用干法刻蚀，形成传感波导的顶部狭缝；

步骤S109：利用氢氟酸进行湿法刻蚀，去除二氧化硅，最终形成基于表面增强红外吸收光谱的狭缝光波导传感器。

4.根据权利要求1-2任一所述的一种基于表面增强红外吸收光谱的狭缝光波导传感器的检测方法，其特征在于，该检测方法包括：

步骤S201：在输入锥形波导的输入端通过氟化物光纤连接中红外激光器，在输出锥形波导的输出端通过氟化物光纤连接中红外探测器和信号采集、分析电路；

步骤S202：将待测物旋涂在传感波导的上表面，利用光刻和显影使待测物部分处于金属天线的缝隙中，另一部分处于金属天线的上下表面；

步骤S203: 调节中红外激光器的电流，使中红外激光器的激射波长扫描过待测物的吸收波段；

步骤S204：在调节中红外激光器波长时，利用探测器并将输出锥形波导的输出光信号转变为电信号；实时记录中红外探测器输出信号和中红外激光器波长的关系，得到待测物的吸收谱；

步骤S205：根据测得的吸收谱，分析待测物红外吸收特性；

步骤S206：采用洛伦兹线型拟合吸收谱，得到参考谱；根据公式：（吸收谱-参考谱）/参考谱或吸收谱/参考谱，表征待测物对光的吸收特性及其影响，分析金属天线对待测物吸收的增强效果。