一种基于光学谐振腔的微粒粒度检测传感器制造技术

本发明专利技术提供一种基于光学谐振腔的微粒粒度检测传感器，其特征是：光学谐振腔采用由介质膜布拉格反射镜(DBR)构成的Fabry-Pérot腔；由于谐振腔的谐振效应使得腔内光强度得到大幅提高，增强了腔内颗粒对光的散射效应；同时，由于DBR的反射率对角度敏感，当入射角超过特定阈值时，DBR的反射率急剧降低，因此散射角度超过特定阈值的散射光可以从谐振腔内有效导出、并被探测。本发明专利技术的传感器，既能增强颗粒对光的散射效应，又能有效导出散射光，具有灵敏度高和结构简单的特点。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提供一种基于光学谐振腔的微粒粒度检测传感器，其特征是：光学谐振腔采用由介质膜布拉格反射镜(DBR)构成的Fabry-Pérot腔；由于谐振腔的谐振效应使得腔内光强度得到大幅提高，增强了腔内颗粒对光的散射效应；同时，由于DBR的反射率对角度敏感，当入射角超过特定阈值时，DBR的反射率急剧降低，因此散射角度超过特定阈值的散射光可以从谐振腔内有效导出、并被探测。本专利技术的传感器，既能增强颗粒对光的散射效应，又能有效导出散射光，具有灵敏度高和结构简单的特点。【专利说明】一种基于光学谐振腔的微粒粒度检测传感器
本专利技术涉及一种用于检测气体或液体中微粒的浓度和尺寸的传感器，可应用于空气中雾霾检测、以及水中微生物检测等环保和生化分析领域。
技术介绍
微纳颗粒物检测在环境保护和生化分析等领域具有重要应用，例如:雾霾污染就是由大气中悬浮的微纳颗粒引起；微纳尺度的浮游植物会影响海水的水质(B1geosciences, 7，3239-3257，2010)。目前，检测气体或液体中悬浮微纳颗粒物的主要方法有:沉降法、激光法、筛分法、图像法和电阻法等。其中激光检测具有快速便捷的特点，其测试原理是:激光照射到悬浮颗粒后，由于不同粒径的颗粒对光的散射角不同(如图1)，因此对散射光的强度分布进行分析就可获知颗粒的粒度分布(C.F.Bohren andD.R.Huffman, “Absorpt1n and scattering of light by small particles”，Johnffiley&Sons, New York,1983)。 为了提高激光检测精度，需要增强光与颗粒的相互作用，从而增强散射效应。对于光学谐振腔，由于腔内的谐振效应使得光强度得到大幅提高，可以增强了腔内颗粒对光的散射效应。但是，面临的问题是:谐振腔对光有约束效应，如何将散射光从谐振腔内部导出？ 综上所述，如何设计基于光学谐振腔的颗粒检测传感器，使得既能提高光散射效应，又能有效导出散射光？是本专利技术的创研动机。
技术实现思路
本专利技术为解决上述问题，提出“一种基于光学谐振腔的微粒粒度检测传感器”，其中光学谐振腔采用由介质膜布拉格反射镜(DBR)构成的Fabry-P6rot腔；由于DBR的反射率对角度敏感，当入射角超过特定阈值时，DBR的反射率急剧降低，因此散射角度超过特定阈值的散射光可以从谐振腔内有效导出、并被探测。本专利技术的传感器具有灵敏度高和结构简单的特点。 专利技术人对光学谐振腔以及DBR的特性有着深入的研究(Applied Optics, vol.45,PP.8448-8453,2006)，从而启发了本专利技术的产生。本专利技术的传感器结构如图2或图3所示，传感器由Fabry-P6rot腔、透镜和光电探测部分组成。 所述的微纳颗粒检测传感器，其检测过程可按以下步骤实现(图2或图3):①激光入射到Fabry-P6r0t腔上，并进入腔内获得谐振增强液体或气体样品进入Fabry-Perot腔；③样品中的颗粒对腔内的激光进行散射散射光的散射角度超过特定阈值时，散射光从腔内导出散射光被光电探测。 所述的Fabry_P6rot腔,可以集成在微流控芯片上(Appl.Phys.Lett., vol.102,pp.163701,2013)，从而减小体积。 所述的Fabry_P6rot腔，由两个平行排列的布拉格反射镜构成(图4)，其中的布拉格反射镜由不同折射率的薄膜交替堆叠而成。 所述的入射角的特定阈值，具有如下特征:当入射角小于特定阈值，布拉格反射镜能有效反射光波；当入射角大于特定阈值，布拉格反射镜对光波的反射率急剧下降，丧失反射镜功能(图5)。 所述的布拉格反射镜，可以选择不同的薄膜材料组合，从而调节不同薄膜材料之间的折射率差异，实现对特定阈值的调节。 所述的布拉格反射镜，可以通过溅射、蒸发或生长的方法在衬底上沉积薄膜而成，其中的薄膜材料优先采用Si/Si02、Ti02/Si02和GaAs/AlGaAs。 所述的光散射效应，具有前向散射和后向散射两种形式，相应的透镜和光电探测器需要放置在Fabry-P6r0t腔的后端(图2)或前端(图3)。 所述的光电探测，可以采用两种方式实现:①采用电荷耦合元件(CCD)阵列，可以对散射光的强分布直接成像；②采用光电探测器，需要转动或移动探测器的位置，从而获得散射光的空间光强分布。 【专利附图】【附图说明】 附图，其被结合入并成为本说明书的一部分，示范了本专利技术的实施例，并与前述的综述和下面的详细描述一起解释本专利技术的原理。 图1为颗粒对光的散射示意图。 图2为探测前向散射的传感器结构。 图3为探测后向散射的传感器结构。 图4为Fabry_P6rot腔的结构示意图。 图5为介质膜布拉格反射镜的反射率与的入射角的关系图。 【具体实施方式】 为使得本专利技术的内容更加清晰，以下结合技术方案和附图详细叙述本专利技术的【具体实施方式】。 例I 首先，在玻璃衬底上镀Si/Si02薄膜以形成布拉格反射镜，然后将两个衬底面对面排列以构成Fabry-P6rot腔(如图4)。 其次,将含有悬浮颗粒的气体通入Fabry_P6rot腔内，颗粒对入射的激光进行前向散射；散射光的散射角度超过特定阈值时，散射光透过布拉格反射镜，从Fabry-P6rot腔内导出、并被CCD阵列探测；最后，根据CCD探测到的散射光的强度分布，分析得知颗粒的粒度分布(图2)。 例2 首先，在硅衬底上镀Si/Si02薄膜以形成布拉格反射镜，然后将两个衬底面对面排列以构成Fabry-Perot腔(如图4)。 其次，将含有悬浮颗粒的液体通入Fabry-PSrot腔内，颗粒对入射的激光进行后向散射；散射光的散射角度超过特定阈值时，散射光透过布拉格反射镜，从Fabry-P6rot腔内导出、并被光电探测器探测到(图3)。 最后，逐点移动光电探测器，以获得散射光强的空间分布。 例3 首先，在GaAs衬底上镀GaAs/AlGaAs薄膜以形成布拉格反射镜，然后将两个衬底面对面排列以构成Fabry-P6rot腔(如图4)。 其次，将含有悬浮颗粒的气体通入Fabry_P6rot腔内，颗粒对入射的激光进行后向散射；散射光的散射角度超过特定阈值时，散射光透过布拉格反射镜，从Fabry-P6rot腔内导出、并被CCD阵列探测到(图3)。 综上所述，本专利技术提供的基于光学谐振腔的微粒粒度检测传感器，既能利用谐振增强效应来提高颗粒对光的散射，又能利用入射角对布拉格反射镜的反射率影响来导出散射光。专利技术的传感器具有结构简单和高灵敏度的特点。 以上所述是本专利技术应用的技术原理和具体实例，依据本专利技术的构想所做的等效变换，只要其所运用的方案仍未超出说明书和附图所涵盖的精神时，均应在本专利技术的范围内，特此说明。【权利要求】1.一种基于光学谐振腔的微粒粒度检测传感器，其特征是:光学谐振腔采用由介质膜布拉格反射镜(DBR)构成的Fabry-P6r0t腔；由于谐振腔的谐振效应使得腔内光强度得到大幅提高，增强了腔内颗粒对光的散射效应；同时，由于DBR的反射率对角度敏感，当入射角超过特定阈值时，DBR的反射率急剧降低，因此散射角度超过本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光学谐振腔的微粒粒度检测传感器，其特征是：光学谐振腔采用由介质膜布拉格反射镜(DBR)构成的Fabry‑Pérot腔；由于谐振腔的谐振效应使得腔内光强度得到大幅提高，增强了腔内颗粒对光的散射效应；同时，由于DBR的反射率对角度敏感，当入射角超过特定阈值时，DBR的反射率急剧降低，因此散射角度超过特定阈值的散射光可以从谐振腔内有效导出。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄辉，渠波，吴海波，刘蓬勃，白敏，
申请(专利权)人：黄辉，渠波，吴海波，
类型：发明
国别省市：辽宁;21