[发明专利]一种基于布洛赫表面波的铌酸锂光学传感器及方法

说明书

本发明提供一种基于布洛赫表面波的铌酸锂光学传感器及方法，由下而上的依次包括光学棱镜、周期性光子晶体和铌酸锂吸光介质层；周期性光子晶体由高折射率材料和低折射率材料交替N个周期排列而成。本发明通过多层膜结构激发BSW，并在吸光介质层处形成足够强的电场，使铌酸锂能够强烈的吸收BSW频率的光波，从而在反射光谱中形成共振峰。建立共振峰波长或方位角与待测样品折射率的关系，通过检测共振峰波长或角度的漂移来实现对待测样本折射率的动态检测和定性分析。本发明传感器制作简单，能实时和可重复性检测待测物，是一种具有高灵敏度和高品质因子的光子晶体折射率传感器。

技术领域

本发明属于光学技术科学领域，具体涉及一种基于布洛赫表面波的铌酸锂光学传感器及方法。

背景技术

光学折射率传感器是由光学、固体物理学、微电子科学和材料学等多学科交叉的领域，具体是通过改变待测样品折射率来检测样品的浓度和组织成分，是把检测样品中的相关量在传感器中通过特异性响应，转化成变化的光信号，并将光信号检测出来，用于反映被测物体变化量。此传感器具有快速检测、高灵敏度和抗干扰能力强的特点，在食品安全、医疗诊断、环境检测和国防技术上有着广泛的应用。

近几十年来，基于微纳光学表面波的免标记光学检测方法获得了长足的发展，目前，市场上出现应用最多的是基于表面等离子体共振(surface plasmonresonance,SPR)的传感器。SPR是基于表面等离子波(surface plasmonwave,SPW)的一种物理光学效应，通常产生于金属层和介电层之间，当入射光的波矢与SPW的波矢相匹配时，引发了金属薄膜内自由电子产生共振，即SPR。例如中国专利CN205120558U公开了一种新型表面等离激元共振生物传感器，其由棱镜、纳米颗粒阵列、二氧化硅薄膜和二氧化硅膜外沉积单层石墨烯组成。纳米颗粒阵列由聚苯乙烯纳米球外覆金属薄膜组成，位置设置在棱镜下方与二氧化硅薄膜上方。采用多层膜结构的生物传感器，入射光透过棱镜在纳米颗粒阵列金属膜和二氧化硅薄膜之间产生SPW效应。中国专利CN102262069A公开了一种棱镜耦合式表面等离子体共振生物传感，组成部分包括光学棱镜内金属膜层、外金属膜层以及生物组分层，内外金属膜层可采用相同的金属或不同金属且厚度之和在20-80nm之间来满足表面等离激元的激发要求。

SPR技术虽然在生活中有广泛的用处，但其还是存在着不足之处。随着对SPW技术的深入研究，近些年来对布洛赫表面波(bloch surface wave,BSW)的研究也越来越受关注，成为一种有望代替SPR的技术。BSW其原理是基于传统物理光学，利用不同的折射率介质界面的衰减全内反射产生的光学共振现象，来检测不同分析物的含量，物体间相互作用中某些物理量的变化。相比于只能通过TM(P极化)偏振激发的SPW技术，BSW比SPR多了一种激发形态，即TE(s极化)偏振激发。BSW是一种在周期性电介质交替层的光子带隙中的一种电磁波模式，由于在周期性电介质中没有金属的存在，故BSW的介质损耗比SPR要小的多，所以能得要比SPR具有更窄和更深的共振dip峰，从传感器灵敏度来说优于SPR。例如中国专利CN107064078A公布了基于BSW的光学传感器及光学检测方法，其特征在于在光学基底表面外覆至少一层非金属薄膜，最外层非金属膜外覆至少一层石墨烯，通过多层膜结构激发BSW，并且在石墨烯处形成足够的场强，使石墨烯能够强烈的吸收BSW频率的光波，通过改变入射角度使得最靠近石墨烯的一层非金属膜处获得BSW的激发效果。陈颖等(带多孔硅表面缺陷腔的半无限光子晶体Tamm态及其折射率传感机理，物理学报，2014)提出了基于多孔硅表面缺陷光子晶体Tamm态的折射率传感器结构，但是该传感器灵敏度较低，仅为546.67nm/RIU。Jiawei Cong(Sub-nanometer linewidth perfect absorption in visible bandinduced by Bloch surface wave，OpticalMaterials，2016)提出了光子晶体与银薄层复合结构激发BSW，但其传感灵敏度也只有263nm/RIU。

发明内容