基于非对称金属包覆介质波导的角度扫描折射率传感器制造技术

本实用新型专利技术公开了基于非对称金属包覆介质波导的角度扫描折射率传感器，包括激光器、平面镜A、棱镜、匹配油、玻璃基底、金属薄膜、待测物、平面镜B、光谱仪和平面镜旋转控制系统。激光器发出的激光，经平面镜A反射，经棱镜折射后辐照非对称金属包覆介质波导，反射光从棱镜中射出后，经平面镜B反射，辐照到光谱仪上。通过反射光谱的测量确定非对称金属包覆介质波导中的相应导模，进而确定待测物的折射率。本实用新型专利技术将待测物作为非对称金属包覆介质波导的导波层，充分利用了波导中的低阶和高阶导模,实现了大范围的折射率传感，具有结构简单和大范围折射率测量的优势，在折射率传感领域有望得到广泛应用。

Angular Scanning Refractive Index Sensor Based on Asymmetric Metal-Coated Dielectric Waveguide

The utility model discloses an angle scanning refractive index sensor based on an asymmetric metal-coated dielectric waveguide, which comprises a laser, a plane mirror A, a prism, a matching oil, a glass substrate, a metal film, an object to be measured, a plane mirror B, a spectrometer and a rotation control system of a plane mirror. Laser emitted by laser is reflected by plane mirror A and irradiated by asymmetric metal-coated dielectric waveguide after refraction by prism. Reflected light from prism is reflected by plane mirror B and irradiated to spectrometer. The corresponding guided modes in asymmetric metal-clad dielectric waveguides are determined by measuring the reflection spectra, and then the refractive index of the object to be measured is determined. The utility model takes the object to be measured as the guide layer of an asymmetric metal-clad dielectric waveguide, makes full use of the low-order and high-order guide modes in the waveguide, realizes a wide range of refractive index sensing, has the advantages of simple structure and wide range of refractive index measurement, and is expected to be widely used in the field of refractive index sensing.

【技术实现步骤摘要】
基于非对称金属包覆介质波导的角度扫描折射率传感器
本技术属于折射率传感器领域，涉及利用非对称金属包覆介质波导结构进行折射率传感测量的
，特别涉及基于非对称金属包覆介质波导的角度扫描折射率传感器。
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、化学等相应的检测领域中有着广泛的应用。因此，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，由于表面等离子体的强耦合性质，它在折射率传感领域的应用也越来越多，基于表面等离子体的折射率传感器主要包括棱镜耦合和光栅耦合两种方式，研究人员已经设计出了相应的折射率传感器，并且实现了高灵敏度的折射率传感测量。但是，这些传感器虽然可以获得高灵敏度的折射率传感，却仍然有一定的不足，主要表现在以下几个方面：(1)传感范围小：利用棱镜耦合表面等离子体共振进行折射率传感时，待测物的折射率必须小于棱镜本身的折射率，因此限制了折射率的传感范围。(2)成本高：利用光栅耦合表面等离子体共振进行传感时，需要考虑光栅本身的制作工艺，无疑增加了传感器制作的成本。(3)偏振受限：利用表面等离子体进行的折射率传感测量中，由于表面等离子体只有在TM偏振光照射下才能被激发，故对光的偏振有严格要求。
技术实现思路
本技术的目的在于弥补现有基于表面等离子体折射率传感器的不足，提出了一种基于非对称金属包覆介质波导的角度扫描折射率传感器，对利用棱镜和光栅耦合表面等离子体共振的传感器进行技术改进，从而实现低成本的大范围折射率传感。为实现上述目的，本技术所采用的技术方案是：基于非对称金属包覆介质波导的角度扫描折射率传感器，包括激光器、平面镜A、棱镜、匹配油、玻璃基底、金属薄膜、待测物、平面镜B、光谱仪和平面镜旋转控制系统，其中，所述的激光器发出的激光束，经平面镜A反射，经棱镜折射后，辐照到金属薄膜、待测物和空气构成的非对称金属包覆介质波导上，反射光从棱镜射出后，经平面镜B反射后，辐照到光谱仪上，平面镜旋转控制系统控制平面镜A和平面镜B的旋转，以实现角度扫描的反射光谱测量。其中，非对称金属包覆介质波导中存在低阶、高阶导波模式，激光束以激发导模的共振角辐照时，入射激光能量将耦合成待测物中的低阶、高阶导模的能量，光谱仪将探测到反射光谱出现相应低阶、高阶导模对应的波谷，通过对反射光谱的分析，可以确定相应的低阶、高阶导模的激发角，进而通过非对称金属包覆介质波导的相关理论，计算并确定待测物的折射率，通过低阶、高阶导模的使用，可实现大范围的折射率传感。其中，所述的非对称金属包覆介质波导，是由金属薄膜，待测物和空气构成的三层结构，金属薄膜和空气用作包覆待测物的包覆层。其中，入射光从激光器发出，经平面镜A反射，由棱镜耦合辐照到非对称金属包覆介质波导，反射光从棱镜中射出后，经平面镜B反射，由光谱仪测量反射光谱。其中，在入射光波长一定的条件下，通过平面镜旋转控制系统实现角度扫描的折射率测量，平面镜旋转控制系统，控制平面镜A的旋转，以实现激光束以不同角度入射棱镜，从而以不同角度辐照非对称金属包覆介质波导；同时，平面镜旋转控制系统控制平面镜B的旋转，以实现经非对称金属包覆介质波导反射的光，被平面镜B反射后辐照到光谱仪上，由此保证了测量的实时性和准确性。本技术的原理在于：基于非对称金属包覆介质波导的角度扫描折射率传感器，包括激光器、平面镜A、棱镜、匹配油、玻璃基底、金属薄膜、待测物、平面镜B、光谱仪、平面镜旋转控制系统，其中，所述的激光器发出相应的入射激光束，由平面镜A反射，经棱镜折射后，辐照非对称金属包覆介质波导，反射光从棱镜射出，经平面镜B反射后，由光谱仪测量反射光谱，从而通过共振激发角确定波导中存在的导波模式，进而确定待测物的折射率，通过结合低阶、高阶导波模式下的不同折射率传感范围，实现大范围的折射率传感。其中，所述的激光器，发出入射激光束，作为激发导模共振的激发光源。其中，所述的平面镜A，改变由激光器发出的激光束的传播方向，使其入射到棱镜上。其中，所述的棱镜，用来耦合激发非对称金属包覆介质波导中的低阶、高阶导模。其中，所述的匹配油，用于粘合棱镜与玻璃基底。其中，所述的金属薄膜，通过电子束蒸发蒸镀到玻璃基底上，并作为非对称金属包覆介质波导结构中的金属包覆层。其中，所述的待测物，作为非对称金属包覆介质波导中的导波层。其中，所述的平面镜B，改变由棱镜射出的折射光的传播方向，使其辐照到光谱仪上。其中，所述的光谱仪，用于反射光谱的测量。其中，所述的平面镜旋转控制系统，用于同时控制和改变平面镜A及平面镜B的方向，从而使入射激光束以不同角度辐照到非对称金属包覆介质波导，同时保证反射光经平面镜B反射后辐照到光谱仪上，以实现角度扫描的反射光谱测量。本技术基于非对称金属包覆介质波导的角度扫描折射率传感器具有如下优点：(1)大折射率范围：非对称金属包覆介质波导中存在低阶、高阶导模，不同导模存在于不同的折射率范围内，通过低阶、高阶导模与待测物折射率的关系，即可实现对折射率的大范围测量。(2)结构简单、操作方便：测量中，激光器、棱镜、非对称金属包覆介质波导、光谱仪的空间位置不变，仅通过平面镜控制系统控制平面镜A和平面镜B的旋转，既保证了该传感器的稳定性，又实现了角度扫描的反射光谱测量。因此，具有结构简单和操作方便的双重优势。(3)偏振选择多样化：由于非对称金属包覆介质波导中的低阶、高阶导模即可以通过TM偏振光激发，也可以通过TE偏振光激发，而基于表面等离子体的折射率传感器只能通过TM偏振光进行激发，因此本技术具有偏振选择多样化的优势。附图说明图1是本技术基于非对称金属包覆介质波导的角度扫描折射率传感器示意图。图2是以金属薄膜和待测物分界面的中心为坐标原点建立的笛卡尔坐标系xoz平面内的光路示意图，z轴垂直于待测物表面且正方向指向待测物，x轴在水平方向且正方向水平向右。图3是四种不同折射率待测物在TM、TE偏振光辐照下的角度扫描反射光谱，其中，激光器为发射632.8nm波长的氦氖激光器，棱镜折射率为1.51。图3(a)为待测物折射率为1.20时的反射光谱；图3(b)为待测物折射率为1.40时的反射光谱；图3(c)为待测物折射率为1.60时的反射光谱；图3(d)为待测物折射率为1.80时的反射光谱；图4是激发低阶导模TM0、TE0，高阶导模TM1、TE1的条件下，各波导模式的共振激发角与待测物折射率之间的函数关系曲线。图5是图4中的四种导波模式下对应的角灵敏度曲线。图1中：1为激光器，2为平面镜A，3为棱镜，4为匹配油，5为玻璃基底，6为金属薄膜，7为待测物，8为平面镜B，9为光谱仪，10为平面镜旋转控制系统。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步详细描叙，附图中相同的标号始终表示相同的部件。实施例1参照图1所示的基于非对称金属包覆介质波导的角度扫描折射率传感器，包括激光器1，平面镜A2，棱镜3，匹配油4，玻璃基底5，金属薄膜6，待测物7，平面镜B8，光谱仪9，平面镜旋转控制系统10，其中：激光器1，发射波长为632.8nm激光束的氦氖激光器，用作激发相关导波模式的激发光源。平面镜A2，改变由氦氖激光器1发出的激光束的传播方向，使其入本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于非对称金属包覆介质波导的角度扫描折射率传感器，其特征在于，包括激光器(1)、平面镜A(2)、棱镜(3)、匹配油(4)、玻璃基底(5)、金属薄膜(6)、待测物(7)、平面镜B(8)、光谱仪(9)和平面镜旋转控制系统(10)，其中，所述的激光器(1)发出的激光束，经平面镜A(2)反射，经棱镜(3)折射后，辐照到金属薄膜(6)、待测物(7)和空气构成的非对称金属包覆介质波导上，反射光从棱镜(3)射出后，经平面镜B(8)反射后，辐照到光谱仪(9)上，平面镜旋转控制系统(10)控制平面镜A(2)和平面镜B(8)的旋转，以实现角度扫描的反射光谱测量。

【技术特征摘要】
1.基于非对称金属包覆介质波导的角度扫描折射率传感器，其特征在于，包括激光器(1)、平面镜A(2)、棱镜(3)、匹配油(4)、玻璃基底(5)、金属薄膜(6)、待测物(7)、平面镜B(8)、光谱仪(9)和平面镜旋转控制系统(10)，其中，所述的激光器(1)发出的激光束，经平面镜A(2)反射，经棱镜(3)折射后，辐照到金属薄膜(6)、待测物(7)和空气构成的非对称金属包覆介质波导上，反射光从棱镜(3)射出后，经平面镜B(8)反射后，辐照到光谱仪(9)上，平面镜旋转控制系统(10)控制平面镜A(2)和平面镜B(8)的旋转，以实现角度扫描的反射光谱测量。2.根据权利要求1所述的基于非对称金属包覆介质波导的角度扫描折射率传感器，其特征在于，非对称金属包覆介质波导中存在低阶、高阶导波模式，激光束以激发导模的共振角辐照时，入射激光能量将耦合成待测物(7)中的低阶、高阶导模的能量，光谱仪(9)将探测到反射光谱出现相应低阶、高阶导模对应的波谷，通过对反射光谱的分析，可以确定相应的低阶、高阶导模的激发角，进而通过非对称金属包覆介质波导的相关理论，计算并确定待测物(7)的折射率，通过低阶、高阶...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴枭雄，王向贤，朱剑凯，陈宜臻，杨旭东，杨明秋，苏学晶，
申请(专利权)人：兰州理工大学，
类型：新型
国别省市：甘肃,62