[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

说明书

本发明提供一种基于表面增强红外吸收光谱的狭缝光波导传感器，涉及红外分析物检测领域。包括输入锥形耦合波导、输入矩形波导、内嵌金属天线的传感波导、输出矩形波导、输出锥形耦合波导；沿截面方向上，内嵌金属天线的传感波导包括衬底、金属天线、第三高折射率芯层、第三低折射率包层，衬底为氟化钙，低折射率包层为空气，高折射率芯层为硫系玻璃；高折射率芯层位于衬底上，高折射率芯层中间形成狭缝，金属天线的一部分嵌入芯层、另一部分悬浮于狭缝中。本发明在实施传感时，将待测物填充狭缝。利用狭缝波导将光限制在狭缝中，增强了金属纳米天线缝隙附近的电场，由于缝隙周围填充了待测物，使待测物充分利用增强区域的电场，从而有效增强了待测物对红外光的吸收，提高了传感性能。

技术领域

本发明涉及光波导传感技术领域，具体涉及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。

背景技术

表面增强红外吸收(SEIRA)技术通过在衬底上制备金属天线或粗糙的金属岛膜，可以在特定波段产生表面等离子体共振，极大的提高金属天线或粗糙的金属岛膜附近的电场，增强待测物的吸收，从而提高灵敏性。目前，SEIRA技术普遍使用傅里叶红外光谱仪探测输出信号，而傅里叶红外光谱仪体积大、不便携，需要较长的积分时间来得到较大的信噪比，限制了传感信号的获取速度。硫系玻璃是一种在中红外波段透明的材料，适合制备中红外光波导。基于硫系玻璃光波导的传感器体积小，通过将红外光耦合进光波导中，再使用探测器探测输出光就可以快速的获得输出光信号，从而提高传感器的便携性。

人们采用消逝场传感的方法，通过将金属天线集成在光波导上可以提高灵敏性。减小金属天线对之间缝隙的宽度可以增强缝隙局部区域光场，改变金属天线的尺寸可以调节表面等离子体共振的波长从而分析不同待测物。同时，光波导上的金属天线可以等效为谐振器，输入波导的光一部分透射并输出，一部分反射，其余部分被金属散射或被谐振器吸收，当分析物附着于金属天线表面时，分析物对光的吸收会导致被谐振器吸收的光减少，改变输出光强的大小。然而，在现有报道中，人们一般利用矩形光波导或脊形光波导来实现SEIRA，由于一部分金属天线产生的局部场被限制在介质层中，该部分光场无法与待测物形成相互作用，限制了传感器的灵敏度,例如，集成了金属天线的脊形光波导对聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的吸收信号增强效果小于3。

发明内容

针对现有矩形、脊形等光波导传感器的光场被限制在介质层中、无法与待测物相互作用，导致传感器灵敏度低的问题，本发明公开了一种基于表面增强红外吸收光谱的狭缝光波导传感器，利用狭缝波导结构将光限制在低折射率的狭缝中，处于狭缝中的金属天线的缝隙增强了缝隙周围的局部光场，当分析物填充狭缝时，增强的光场充分与待测物相互作用，显著提高了传感器的灵敏度，这里所说的分析物为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。

本发明采用的技术方案是：

一种基于表面增强红外吸收光谱的狭缝光波导传感器，

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。

优选的，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。