一种基于等离子体金刚石纳米环的折射率传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种基于等离子体金刚石纳米环的折射率传感器，包括可调谐激光器、金刚石纳米环、等离子体层、锥形光纤、衬底和光电探测器；所述可调谐激光器、锥形光纤和光电探测器依次相连接；所述金刚石纳米环、等离子体层和锥形光纤均设置在所述衬底上；所述金刚石纳米环设置在所述锥形光纤中锥形区域的正上方；所述等离子体层包围设置在所述金刚石纳米环的外壁；所述金刚石纳米环为回音壁模式纳米环。本发明专利技术提供的折射率传感器具有结构简单、体积小、易于集成、品质因数高等优点，品质因数可以达到60000，灵敏度可达到339.8nm/RIU，在生物工程、环境监测、受禁毒品检测和易爆材料识别等领域有广泛的应用前景。

A refractive index sensor based on plasma diamond nano ring

【技术实现步骤摘要】
一种基于等离子体金刚石纳米环的折射率传感器
本专利技术涉及一种基于等离子体金刚石纳米环的折射率传感器，属于折射率传感器

技术介绍
折射率是物质的一个重要光学特性参数，它与物质的组成及成分有着直接的联系。折射率的检测在生物学、化学等相关检测领域中有着广泛应用。目前，研究人员提出了许多基于不同传感原理的折射率传感器，其中，光学传感器因其具有灵敏度高、响应快速、抗电磁干扰能力强等优点，引起了科研人员的密切关注。尤其是微米级、纳米级器件尺寸的光学传感器易于集成、便携，可以在高温高湿、易燃易爆环境下工作,且可以植入人体，非常适用于生物工程、环境监测、受禁毒品检测和易爆材料识别等领域。表面等离子体共振(SurfacePlasmaResonance,SPR)传感器是一种基于金属表面等离子模式共振效应的光学传感器，灵敏度很高，但传统的SPR传感器存在着衰减大、互作用强度受限等不足之处。与之相反，回音壁模式光学微腔传感器利用光的全反射原理，把绝大部分的光场限制在腔内，增强了光与物质的相互作用，衰减很小，具有超高的品质因数。但是传统的基于回音壁模式光学微腔用于传感器应用时，灵敏度仅为70-200nm/RIU，品质因数为1000左右。因此，为了克服上述困难，近年来，一种新型的基于表面等离子体光学微腔的传感器脱颖而出，这种传感器兼具了表面等离子体共振传感器的高灵敏度，同时也能像回音壁模式光学微腔一样具有高品质因数和微纳级尺寸。目前这种基于等离子体光学微腔的传感器大多利用硅或二氧化硅等材料，通过互补金属氧化物半导体(CMOS)成熟工艺制作而成，但是在某些极端的情况下，这些材料并不是最佳选择。
技术实现思路
针对上述不足，本专利技术提供了一种基于等离子体金刚石纳米环的折射率传感器，利用金刚石优良的物理和化学性质以及目前发展起来的大规模高纯度金刚石晶体的制备工艺，提出了一种基于等离子体金刚石纳米环的折射率传感器，该传感器具有结构简单、体积小、品质因数高和灵敏度高等优点，在生物工程、环境监测、受禁毒品检测和易爆材料识别等领域有广泛的应用前景。本专利技术采取的技术方案为：一种基于等离子体金刚石纳米环的折射率传感器，包括可调谐激光器、金刚石纳米环、等离子体层、锥形光纤、衬底和光电探测器；所述可调谐激光器、锥形光纤和光电探测器依次相连接；所述金刚石纳米环、等离子体层和锥形光纤均设置在所述衬底上；所述金刚石纳米环设置在所述锥形光纤中锥形区域的正上方；所述等离子体层包围设置在所述金刚石纳米环的外壁；所述金刚石纳米环为回音壁模式纳米环。金刚石纳米环的作用是形成回音壁光学微腔，让满足谐振条件的激光在微腔内多次振荡；由于金刚石材料具有优异的物理和化学性质，因此基于金刚石纳米环的传感器具有良好的鲁棒性、稳定性和可重复性。等离子体层的作用是在金刚石纳米环外壁产生等离子体效应，提高金刚石纳米环的灵敏度。可调谐激光器的作用是作为光源产生谐振光，在等离子体金刚石纳米环内谐振形成回音壁模式。锥形光纤的作用是将可调谐激光器的激光耦合进入金刚石纳米环。光电探测器的作用是记录并分析锥形光纤-金刚石纳米环耦合装置输出端的回音壁模式透射谱。本专利技术的工作原理：将金刚石纳米环和等离子体层置于被测物理量当中，当可调谐激光器发出的激光由锥形光纤输入端入射到锥形光纤中，在锥形光纤中传播经过耦合点时，一部分光会耦合进入到金刚石纳米环中，而另一部分的光会继续沿着锥形光纤传输，由锥形光纤输出端输出。对于从耦合点耦合到金刚石纳米环中的光会沿着纳米环进行传播，如果满足谐振条件：2πRneff＝mλ(其中R为纳米环外壁半径、neff是纳米环的有效折射率、m为谐振级次、λ为第m级次的谐振波长)，光会在金刚石纳米环中得到相干加强，波长不满足谐振条件的光就从耦合点输出；利用光电探测器测量得到等离子体金刚石纳米环透射谱的谐振波长，由于谐振波长对外界折射率的变化具有灵敏度响应，通过记录谐振波长的偏移，即可计算出周围待测介质的折射率。根据本专利技术优选的，所述等离子体层是金纳米颗粒层。此设计的好处在于，金纳米颗粒层和金刚石纳米环共同构成等离子体，产生等离子效应，能够显著提高等离子体金刚石纳米环的灵敏度，同时保持很高的品质因数。根据本专利技术优选的，所述等离子体层的厚度WAu为15-30nm；进一步优选的，所述等离子体层的厚度WAu为20nm。根据本专利技术优选的，所述金刚石纳米环的外壁直径D1为1-1.5μm；进一步优选的，所述金刚石纳米环的外壁直径D1为1.2μm。此设计的好处在于，结构简单紧凑易于制备，器件体积更小，节省空间以及待测介质使用量。根据本专利技术优选的，所述金刚石纳米环的厚度W1为110-130nm；进一步优选的，所述金刚石纳米环的厚度W1为120nm。根据本专利技术优选的，所述等离子体层的外壁到锥形光纤中锥形区域直线段的距离G为100-200nm；进一步优选的，所述等离子体层的外壁到锥形光纤中锥形区域直线段的距离G为200nm。根据本专利技术优选的，所述衬底为硅衬底或二氧化硅衬底。根据本专利技术优选的，所述金刚石纳米环的高度H为100nm。根据本专利技术优选的，所述等离子体层的高度与所述金刚石纳米环的高度相同。根据本专利技术优选的，锥形光纤中锥形区域直线段的直径为D2为100nm。本专利技术有益效果为：(1)由于金刚石材料具有优良的物理和化学特性，包括极高的硬度和耐磨性、低热膨胀率、高热导性以及良好的生物兼容性等，因此本专利技术提供的折射率传感器具有良好的鲁棒性、稳定性和可重复性。(2)本专利技术提供的折射率传感器是基于回音壁模式光学微腔，光在金刚石纳米环中与待测介质进行多次相互作用的原理和本身的高品质因数，同时金刚石纳米环外壁的金纳米颗粒层形成的等离子效应，都有助于提高传感器的灵敏度。(3)本专利技术提供的基于等离子体金刚石纳米环的折射率传感器，结构简单紧凑易于制备，器件体积更小，节省空间以及待测介质使用量。(4)所述的折射率传感器具有结构简单、体积小、易于集成、品质因数高等优点，品质因数可以达到60000，灵敏度可达到339.8nm/RIU，在生物工程、环境监测、受禁毒品检测和易爆材料识别等领域有广泛的应用前景。附图说明图1是本专利技术提供的一种基于等离子体纳米环的折射率传感器的俯视示意图。图2是图1所示的本专利技术提供的一种基于等离子体纳米环的折射率传感器中A-A方向的剖面示意图。图3是本专利技术提供的一种基于等离子体金刚石纳米环的折射率传感器的回音壁模式的径向模场分布图。图4是本专利技术提供的一种基于等离子体金刚石纳米环的折射率传感器的回音壁模式的切向模场分布图。图5是本专利技术提供的一种基于等离子体金刚石纳米环对比不同厚度等离子体层的金刚石纳米盘的谐振波长随周围待测介质折射率的变化关系示意图。1、衬底，2、金刚石纳米环，3、等离子体层，4、锥形光纤，5、锥形光纤输入端，6、耦合点，7、锥形光纤输出端，8、可调谐激光器，9、光电探测器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于等离子体金刚石纳米环的折射率传感器，其特征在于，包括可调谐激光器、金刚石纳米环、等离子体层、锥形光纤、衬底和光电探测器；所述可调谐激光器、锥形光纤和光电探测器依次相连接；所述金刚石纳米环、等离子体层和锥形光纤均设置在所述衬底上；所述金刚石纳米环设置在所述锥形光纤中锥形区域的正上方；所述等离子体层包围设置在所述金刚石纳米环的外壁；所述金刚石纳米环为回音壁模式纳米环。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于等离子体金刚石纳米环的折射率传感器，其特征在于，包括可调谐激光器、金刚石纳米环、等离子体层、锥形光纤、衬底和光电探测器；所述可调谐激光器、锥形光纤和光电探测器依次相连接；所述金刚石纳米环、等离子体层和锥形光纤均设置在所述衬底上；所述金刚石纳米环设置在所述锥形光纤中锥形区域的正上方；所述等离子体层包围设置在所述金刚石纳米环的外壁；所述金刚石纳米环为回音壁模式纳米环。


2.根据权利要求1所述的一种基于等离子体金刚石纳米环的折射率传感器，其特征在于，所述等离子体层是金纳米颗粒层。


3.根据权利要求1所述的一种基于等离子体金刚石纳米环的折射率传感器，其特征在于，所述等离子体层的厚度WAu为15-30nm；
进一步优选的，所述等离子体层的厚度WAu为20nm。


4.根据权利要求1-3任一所述的一种基于等离子体金刚石纳米环的折射率传感器，其特征在于，所述金刚石纳米环的外壁直径D1为1-1.5μm；
进一步优选的，所述金刚石纳米环的外壁直径D1为1.2μm。


5.根据权利要求1所述的一种基于等离子...

【专利技术属性】
技术研发人员：马晓明，范书振，左致远，尹晓琴，方家熊，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37