[发明专利]一种基于马赫-曾德尔结构的折射率传感器及其检测方法

说明书

本发明涉及一种基于马赫‑曾德尔结构的折射率传感器及其检测方法，该传感器包括马赫‑曾德尔结构，在其中一个干涉臂上剥离掉一定长度的包层，形成折射率感知区，折射率感知区用于检测液体或气体；当待测液体或气体注入到折射率感知区，会导致折射率感知区中干涉臂的有效折射率变化，进而引起器件输出光谱的中心波长的变化，并且有效折射率的变化与中心波长的变化是线性的，输出光谱的中心波长为输出强度与输入强度比值最大时对应的波长。本发明提供的基于马赫‑曾德尔结构的折射率传感器制作成本低、制备简单、结构坚固，器件中心波长的改变量与待测折射率的改变量呈线性关系，因此可以同时做到超大量程与高灵敏度。

技术领域

本发明涉及一种基于马赫-曾德尔结构的折射率传感器及其检测方法，属于折射率测量技术领域。

背景技术

物质折射率是反映物质内部信息的一个重要物理量。物质折射率的测量在基础研究、化学分析、环境污染评估、医疗诊断和食品工业等领域有着广泛的应用。在生产和科学研究中对一些固体、液体和气体折射率的精确测定具有重要的意义。例如：生物分子的相互作用以及溶液中的化学反应引起的分子结构变化都会产生折射率的微小变化，这种微小变化的检测是识别病毒和不同分子的重要手段。尤其是随着我国国民经济的快速发展，人口的不断增加，环境污染已成为严重损害人民健康的重大问题，越来越多的人们开始关注大气中有毒有害气体，以及江河、湖泊和海洋中有机物和重金属离子的水污染。对大气和水中有毒物质浓度(折射率)的精细检测已成为一项十分迫切的课题。

目前检测大气和水中物质浓度的常用方法有以下几种：阿贝折射仪全反射临界角法、使用分光计的最小偏向角法、迈克耳逊干涉仪等倾干涉法，以及原子吸收法、分光光度法、原子荧光光谱和高效液相色谱等技术等，但这些技术的灵敏度普遍不高、检出限一般都在10^-3～10^-5之间；有的光路调整复杂，测量过程时间长，不利于实时测量；有的检测量程小，对检测量程大的情况往往一种仪器不够，需采用另一种仪器；或需要大型昂贵的设备，检测成本高，难以推广应用。

光学芯片折射率传感器具有传感器本质绝缘、抗电磁干扰、高集成度，高带宽、可复用以及生物化学相容性等特点，在生物分子检测、环境污染治理及化学过程控制等领域具有广泛应用。随着折射率测量要求的提高，光学芯片折射率传感器的灵敏度、分辨率和线性度等性能需要进一步提升。

马赫-曾德尔干涉型集成光波导传感器通过采用干涉测量法产生相位调制以便获得较高的灵敏度和分辨率，特别是基于马赫-曾德尔干涉仪的新型光波导传感器具有许多优点，例如插入损耗低，制造方法简单，结构紧凑，成本低。因此，该类型的光波导传感器被用以测量各类参数，其发展前景相当广阔。但是传统的马赫-曾德尔型传感器是基于光强度检测的，待测量与光强之间的关系为正弦余弦曲线，在实际使用中通常采用的方法是仅使用其中线性度较好的一段，因此，其灵敏度与测量范围之间仍然存在一定的矛盾，即测量范围较大的情况下，折射率变化量引起的光强的变化较小。而且由于这种测量方法本身不是线性的，给出厂校准和后期校准带来极大的不便。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于马赫-曾德尔结构的折射率传感器，该折射率传感器具有成本低、灵敏度高、抗干扰性能强、制作简单且结构坚固的优点。

本发明还提供了上述基于马赫-曾德尔结构的折射率传感器的检测方法。

本发明的技术方案为：