基于石英音叉表面等离激元增强吸收的红外光学探测系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于石英音叉表面等离激元增强吸收的红外光学探测系统及方法，所述探测系统包括被测光源、石英音叉系统和信号处理系统，在音叉臂表面设有等离激元纳米结构，其由下向上依次包括金属层、聚二甲基硅氧烷层、二氧化硅层、聚苯乙烯微球和纳米金凝胶复合层。本发明专利技术基于石英音叉的热弹效应，利用表面等离激元效应实现完美光吸收，石英音叉悬臂因受光吸收产生的微小热弹形变由压电效应转化为电信号并由锁相放大器进行信号解调，从而实现在室温下低成本、高灵敏度红外探测。高灵敏度红外探测。

【技术实现步骤摘要】
基于石英音叉表面等离激元增强吸收的红外光学探测系统及方法


[0001]本专利技术涉及传感器的红外光检测
，具体涉及一种基于石英音叉表面等离激元增强吸收的红外光学探测系统及方法。

技术介绍

[0002]光电探测器在光谱分析、气体检测和光通信等应用中起着十分重要的作用。光电二极管（PD）响应速度快、灵敏度高，然而，取决于构成光电二极管所用的材料的带隙，通常其只有在窄波长范围内才能产生信号。例如，InGaAs光电探测器在800
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1700 nm区间内有较好的响应度，HgCdTe探测器的探测波长可以达到5500 nm。热电堆传感器利用光热电效应将入射光转化为热能，然而其热噪声通常较大。高灵敏度宽带红外光探测在现阶段仍然是一个巨大的挑战。
[0003]石英音叉由于具有极高的品质因数和稳定度，在光探测领域的应用近期取得了一定的进展。通过石英音叉的热弹效应及压电效应可进行可见光、红外及太赫兹波段的光探测。通常石英音叉表面镀有金属薄膜，这会对入射光产生较大的反射，影响了光探测灵敏度。此前，研究者通过表面涂覆光吸收层改善了光吸收率，从一定程度上提升了探测灵敏度。然而，此方法仍存在一定的局限性，一方面为了增加光吸收需要涂层尽量厚或者材料光吸收系数尽量大，而增加厚度会增加音叉臂的质量，影响其谐振特性及品质因数。如何在极薄吸收层厚度的前提下实现音叉表面入射光的完美吸收是一个挑战。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于石英音叉表面等离激元增强吸收的红外光学探测系统及方法，以解决现有探测系统光吸收较差、灵敏度较低的问题。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于石英音叉表面等离激元增强吸收的红外光学探测系统，包括：被测光源，所述被测光源发出红外波段的光波；所述光波经光学斩波器后变为脉冲光波，再经聚焦透镜将光波聚焦到石英音叉系统；石英音叉系统，包括石英音叉和表面等离激元纳米结构，所述表面等离激元纳米结构为设置在石英音叉臂表面的多层复合结构，其由下向上依次包括金属层、聚二甲基硅氧烷层、二氧化硅层、聚苯乙烯微球和纳米金凝胶复合层；光波照射到音叉臂后，音叉臂通过等离激元共振吸收和热弹效应产生形变，并通过压电效应将形变转化为电流信号；信号处理系统，用于采集和处理由石英音叉系统输入的电流信号，电流信号首先由跨阻放大器转化为电压，经锁相放大器解调后由示波器或数据采集卡进行采集记录。
[0006]所述被测光源采用红外激光器，所述红外激光器的输出功率由激光驱动器控制，红外激光器的调制信号由函数发生器提供。
[0007]所述红外激光器发出波长在1500 nm
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20 μm范围内的光波。
[0008]所述金属层为音叉臂原有的银层，厚度为90
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110nm，所述聚二甲基硅氧烷层厚度为50
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300 nm，所述的二氧化硅层的厚度为10
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200 nm。
[0009]所述聚苯乙烯微球和纳米金凝胶复合层为纳米金凝胶填充在聚苯乙烯微球间隙而形成的复合层，聚苯乙烯微球的直径为1.0
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1.9 μm，纳米金凝胶的涂覆厚度为10
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200 nm，纳米金凝胶中纳米金颗粒粒径为20
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60 nm。
[0010]通过调节聚苯乙烯微球的粒径和纳米金颗粒的尺寸来调控谐振吸收峰，实现宽带光吸收。
[0011]锁相放大器进行信号解调获得信号的幅值，得到与被测光源发出的光信号成正比的信号，最后由示波器或数据采集卡进行采集。
[0012]一种基于石英音叉表面等离激元增强吸收的红外光学探测方法，包括以下步骤：a、设置上述探测系统；以红外激光器作为被测光源，启动所述探测系统，红外激光器的输出功率由激光驱动器控制，红外激光器的调制信号由函数发生器提供，调制频率等于石英音叉系统的音叉固有谐振振动频率，采用聚焦透镜将输出的激光束聚焦到石英音叉系统的音叉臂上；b、光波照射到音叉臂后，表面等离激元纳米结构使石英音叉臂对入射光产生高效吸收，通过热弹效应转化为音叉臂的形变，之后通过音叉臂的压电效应转化为输出随光激励功率变化的电流信号，；c、电信号被送入信号处理系统进行处理；信号首先由跨阻放大器进行放大，然后产生的电压信号传送到锁相放大器解调，经反演计算得到音叉振幅，进而实现光探测。
[0013]与现有技术相比，本专利技术有以下有益效果：（1）红外探测器件基于石英音叉的光热弹效应，由于石英音叉品质因数高使探测器具有较高的噪声免疫功能。石英音叉在制造及使用成本、使用方便度上具有较大的优势。
[0014]（2）与现有的石英音叉表面涂层不同，本专利技术利用音叉固有的金属层，通过涂覆介质层和表面微纳结构层，实现音叉表面等离激元共振吸收增强，在极薄的复合层上实现完美光吸收，使探测器品质因数不受影响，探测灵敏度大幅提升。
附图说明
[0015]图1为本专利技术检测方法流程图。
[0016]图2为基于表面等离激元增强吸收石英音叉的红外光学探测系统结构示意图。图2中：1、石英音叉；2、表面等离激元纳米结构；3、光学斩波器；4、红外激光器；5、函数发生器；6、锁相放大器；7、示波器；8、数据采集卡。
[0017]图3为音叉臂的表面等离激元纳米结构示意图。
[0018]图4为相同激发功率下，裸石英音叉、PDMS涂层音叉及表面等离激元吸收增强音叉探测器获得的信号。
具体实施方式
[0019]如图1至图3所示，本专利技术提出的一种基于石英音叉表面等离激元增强吸收的石英音叉红外光学探测系统，具体结构包括：被测光源，采用红外激光器作为被测光源，其输出功率由驱动电流控制。激光器调
制信号由函数发生器提供，光源输出的连续光经过光学斩波器后变为具有一定脉冲重复频率、一定脉冲宽度的脉冲光，之后由聚焦透镜将激光束聚焦到音叉臂的根部区域。
[0020]石英音叉系统，利用石英音叉的热弹效应进行光探测。脉冲光辐照到音叉臂上，音叉臂受热发生形变，通过其本身的压电效应将此形变转化为电信号。
[0021]在音叉臂上设置表面等离激元纳米结构。表面等离激元纳米结构是由金属
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介质层
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微纳粒子组成的3~4层复合结构。石英音叉臂为氮化硅（SiN）基底材质，表层原有一层银（Ag），厚度为100 nm。在音叉臂表面依次涂覆聚二甲基硅氧烷（PDMS）、二氧化硅（SiO2）、聚苯乙烯（PS）微球和纳米金凝胶。其中，PDMS涂覆厚度为300 nm，二氧化硅涂覆厚度为100 nm。PS微球选用直径1 μm和1.5 μm的水溶性微球，两种粒径的PS微球溶液按照1:1体积比混合后利用旋涂机进行音叉表面涂覆，转速1000转/秒，时间1分钟，经烘箱80℃干燥50分钟，形成厚度为100 nm的PS微球薄膜。随后，选取粒径为30 nm的纳米金颗粒溶液，以转速1500转/秒，时间1分钟进行纳米金凝胶的旋涂，并使其涂覆厚度为50 nm。PDMS由于热膨胀本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于石英音叉表面等离激元增强吸收的红外光学探测系统，其特征在于，包括：被测光源，所述被测光源发出红外波段的光波；所述光波经光学斩波器后变为脉冲光波，再经聚焦透镜将光波聚焦到石英音叉系统；石英音叉系统，包括石英音叉和表面等离激元纳米结构，所述表面等离激元纳米结构为设置在石英音叉臂表面的多层复合结构，其由下向上依次包括金属层、聚二甲基硅氧烷层、二氧化硅层、聚苯乙烯微球和纳米金凝胶复合层；光波照射到音叉臂后，音叉臂通过等离激元共振吸收和热弹效应产生形变，并通过压电效应将形变转化为电流信号；信号处理系统，用于采集和处理由石英音叉系统输入的电流信号，电流信号首先由跨阻放大器转化为电压，经锁相放大器解调后由示波器或数据采集卡进行采集记录。2.根据权利要求1所述的红外光学探测系统，其特征在于，所述被测光源采用红外激光器，所述红外激光器的输出功率由激光驱动器控制，红外激光器的调制信号由函数发生器提供。3.根据权利要求2所述的红外光学探测系统，其特征在于，所述红外激光器发出波长在1500 nm
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20 μm范围内的光波。4.根据权利要求1所述的红外光学探测系统，其特征在于，所述金属层为音叉臂原有的银层，厚度为90
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110 nm，所述聚二甲基硅氧烷层厚度为50
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300 nm，所述的二氧化硅层的厚度为10
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200 nm。5.根据权利要求1所述的红外光学探测系统，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：娄存广，刘秀玲，王宇，代佳亮，刘欣，张瑜，李依凡，
申请(专利权)人：河北大学，
类型：发明
国别省市：