基于PIT效应的宽波段可调谐的折射率传感器及检测系统

技术领域

本发明涉及光学传感器的技术领域，尤其涉及基于PIT效应的宽波段可调谐的折射率传感器及检测系统。

背景技术

折射率传感器具有可实时监测、对待检测生物分子免标记、测量精度高、便于操作以及检测误差小等优点，被广泛应用于：环境监测、食品安全、生物医学检测、化学加工等领域。随着人们对于传感器的体积，可工作环境，便于操作性等要求的提高，实现具有小尺寸、高传感精度和灵敏度、宽波段动态可调谐的折射率传感器显得非常重要。

然而，目前基于光学共振结构的被动式传感器一旦制成后，就很难通过外部激励进行调控，致使其无法实现对传感波段的动态调控，这种情况下传感器的传感带宽非常窄，不能满足对宽传感带宽的实际需求，此外，由金属微结构制成的表面等离激元传感器，欧姆损耗大，强辐射阻尼导致共振谱线宽，检测精度低，实用性差。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述技术问题，本发明提供了基于PIT效应的宽波段可调谐的折射率传感器及检测系统，解决了现有技术中折射率传感器无法灵活调谐、共振波段局限、灵敏度低的技术问题。

本发明提供了基于PIT效应的宽波段可调谐折射率传感器，包括：由下至上依次设置的二氧化硅衬底、光栅层、二氟化钙间隔层和偏置电压控制的二维材料薄膜层；

所述二维材料薄膜层的上表面设置有用于放置待测物的样品区；

在入射光束的作用下，光栅层表现为亮模式，二维材料薄膜层表现为暗模式，光栅层与二维材料薄膜层波导组合，实现亮暗模式耦合，产生PIT效应，形成可动态调谐的透明窗口。

可选地，所述光栅层由周期性排列的光栅结构组成,每个光栅结构包括：缝隙和金属间隔；

所述缝隙的宽度W为180nm；所述光栅结构的周期P为250nm；所述光栅结构的厚度t为10nm。

可选地，所述金属间隔的材料为金、银或钠。

可选地，所述二维材料薄膜层的材料为硼烯。

可选地，所述硼烯的电导率采用Drude模型表示为：

式(1)中，j为硼烯晶体的光轴，ω为入射光的角频率，τ为电子弛豫时间；D

式(2)中，e为电子电荷，m

可选地，所述二氟化钙间隔层的厚度d为150nm。

本发明还提供了基于PIT效应的宽波段可调谐折射率检测系统，包括：折射率传感器、入射光束产生设备和信号处理装置；所述折射率传感器为如上所述的折射率传感器；

所述折射率传感器分别与入射光束产生设备、信号处理装置连接。

可选地，所述入射光束产生设备发出同一偏振方向的入射光束。

可选地，所述信号处理装置为光谱分析仪。

可选地，所述入射光束经二氧化硅衬底、光栅层、二氟化钙间隔层、二维材料薄膜层照射到样品区上的待测物时：

信号处理装置根据表面等离子体共振对于特定光波长的吸收，测量不同折射率待测物的透射光谱，判断待测物的折射率；以及根据不同折射率待测物的透射光谱变化，得到折射率传感器的灵敏度特性。

本申请提供的技术方案的优点在于：

1、本申请中，通过偏置电压的调节，可以改变二维材料薄膜层的电子浓度，使PIT光谱(透明窗口)的位置及大小发生了变化；同时，本申请利用光栅层和二维材料薄膜层之间的耦合结构，能够在近红外波段对传感器的传感带宽进行动态调控，实用性极强。

2、本申请中的检测系统，在进行检测时，只需要将待测物(气体或液体待分析物)放入到折射率传感器表面的样品区，便可进行检测，测样便捷。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或相关技术的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的基于PIT效应的宽波段可调谐折射率传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的基于PIT效应的宽波段可调谐折射率检测系统的电路结构示意图；

图3是本发明实施例提供的不同待测物的折射率透射光谱图；

图4是本发明实施例提供的不同电子浓度、不同折射率下的折射率传感器的灵敏度示意图；

图中：

1为折射率传感器，2为信号处理装置，3为光源，4为第一光纤，5为第一透镜，6为第一偏振片，7为第一光阑；

41为第二光纤，51为第二透镜，61为第二偏振片；

10为二氧化硅衬底，20为光栅层，30为二氟化钙间隔层，40为二维材料薄膜层，50为偏置电压。

具体实施方式

电磁诱导透明(EIT)源于激光驱动的三能级原子系统中的量子干涉效应，在较宽的吸收光谱范围上产生狭窄的透明窗口；EIT效应通常伴随着光的极端色散，这使得光的群速度显著降低，光学非线性增强。然而，在原子系统中实现传统的量子EIT一般需要苛刻的实验条件，为了打破这些限制人们设计了超材料来实现类EIT效应，也称为表面等离激元诱导透明(PIT)；PIT可以通过亮模式和暗模式之间的直接破坏性干涉或两个亮模式的失谐得到；近年来，提出了许多PIT系统，包括光学传感器、光开关和光存储等。

本申请基于PIT效应，设计了基于PIT效应的宽波段可调谐的折射率传感器及检测系统，具有较高的传感灵敏度以及较宽的检测范围，可用于一系列化学物质以及生物分子的测定，在生物传感和化学物质检测等领域具有很好的应用前景。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

参阅图1，基于PIT效应的宽波段可调谐折射率传感器，包括：由下至上依次设置的二氧化硅衬底10、光栅层20、二氟化钙间隔层30和偏置电压50控制的二维材料薄膜层40；

所述二维材料薄膜层40的上表面设置有用于放置待测物的样品区；

在入射光束的作用下，光栅层20表现为亮模式，二维材料薄膜层40表现为暗模式，光栅层20与二维材料薄膜层40波导组合，实现亮暗模式耦合，产生PIT效应，形成可动态调谐的透明窗口。

需要说明的是，在入射光束的作用下，在光栅层20的缝隙201处激发强烈的局域表面等离激元共振，造成信号光的强辐射损耗，形成透射光谱，使得光栅层20表现为亮模式；在二维材料薄膜层40本身由于存在较大的波矢失配，不能被入射光直接激发，需由光栅层提供波矢补偿，使得二维材料薄膜层40上传导模得以激发，其表现为暗模式；亮暗模之间经过杂化耦合发生表面PIT效应，形成可动态调谐的透明窗口。

传感器的结构尺寸确定后，传统的传感器几何形状不容易改变，均无法实现对传感波段的动态调控，因此传感器的传感带宽非常窄，不能满足对宽传感带宽的实际需求。

本申请中，通过偏置电压50的调节，可以改变二维材料薄膜层40的电子浓度，使PIT光谱(透明窗口)的位置及大小发生了变化；同时，本申请利用光栅层20和二维材料薄膜层40之间的耦合结构，能够在近红外波段对传感器的传感带宽进行动态调控，实用性极强。

实施例二

在实施例一的基础上，基于PIT效应的宽波段可调谐折射率传感器，所述光栅层20由周期性排列的光栅结构组成,每个光栅结构包括：缝隙201和金属间隔202；

所述缝隙201的宽度W为180nm；所述光栅结构的周期P为250nm；所述光栅结构的厚度t为10nm。

需要说明的是，所述金属间隔202的材料为金、银或钠；此外，金属间隔202的材料也可为具有金属特性的其它表面等离激元材料，如掺杂半导体、透明导电氧化物等。

需要说明的是，所述二维材料薄膜层40的材料为硼烯；此外，所述二维材料薄膜层40的材料也可为过度金属硫化物等二维材料。

需要说明的是，所述硼烯的电导率采用Drude模型表示为：

式(1)中，j为硼烯晶体的光轴，ω为入射光的角频率，τ为电子弛豫时间；D

式(2)中，e为电子电荷，m

本实施例中，所述硼烯晶体的光轴可选为x轴或y轴，所述τ的初始值可设为65fs,；

两个晶体轴方向上有效电子质量可分别为：m

需要说明的是，所述二氟化钙间隔层30的厚度d为150nm。

此外，本申请还提供了基于PIT效应的宽波段可调谐折射率检测系统。

参阅图2，基于PIT效应的宽波段可调谐折射率检测系统，包括：折射率传感器1、入射光束产生设备和信号处理装置2；

所述折射率传感器1为如上所述的折射率传感器；

所述折射率传感器1分别与入射光束产生设备、信号处理装置2连接。

需要说明的是，所述入射光束产生设备发出同一偏振方向的入射光束；所述信号处理装置2为光谱分析仪。

本实施例中，所述入射光束产生设备包括：光源3、第一光纤4、第一透镜5、第一偏振片6和第一光阑7；

使用时，光源3通过第一光纤4产生的光束，经第一透镜5扩束、第一偏振片6产生偏振光后，由第一光阑7选取光斑中心部分几乎均匀的偏振光通过；从第一光阑7射出的偏振光为入射光束；

入射光束经折射率传感器1后发出的光经过出射光束产生设备产生出射光束，所述出射光束产生设备包括：第二偏振片61、第二透镜51和第二光纤41，所述出射光束传输至光谱分析仪，以使光谱分析仪对出射光束进行光谱分析。

需要说明的是，所述入射光束经二氧化硅衬底10、光栅层20、二氟化钙间隔层30、二维材料薄膜层40照射到样品区上的待测物时：

信号处理装置2根据表面等离子体共振对于特定光波长的吸收，测量不同折射率待测物的透射光谱，判断待测物的折射率；以及根据不同折射率待测物的透射光谱变化，得到折射率传感器的灵敏度特性。

本实施例中，待测物分别选取空气(折射率为1.00)、水(折射率为1.33)、乙醇(折射率为1.361)、甘油(折射率为1.473)以及高折射率匹配液(折射率为1.636)作为样品进行透射光谱检测。

参阅图3，PIT效应发生在近红外波段，随着待测物折射率的增大，共振波长向长波长依次进行了移动，即红移现象；由此可以看出，改变待测物折射率可以使光谱位置发生变化，从而得出本申请中的折射率传感器的灵敏度特性；同时，通过灵敏度特性，可以根据不同待测物折射率的性质来检测及识别各种样品，从而可以实现传感的应用价值。

本申请还给出了二维材料薄膜层在不同电子浓度下的待测物折射率变化的透射光谱，以及不同电子浓度下时折射率传感器的灵敏度、线性相关系数示意图。

参阅图4，横坐标表示为待测物折射率的变化，纵坐标表示为PIT共振峰位置处的共振波长，所示的三条线分别取硼烯电子浓度为：5.4×10

本申请中，折射率传感器的灵敏度是指折射率传感器在稳定工作情况下输出量变化Δλ对输入量变化Δn的比值S，可以由下式得出：

S＝Δλ/Δn (3)；

式(3)中，Δλ为不同折射率待测物的PIT共振峰对应的波长的差值，Δn为待测物的折射率之差，折射率传感器的静态灵敏度S是一个常量。

由式(3)可知，图4中直线的斜率就是本申请折射率传感器的灵敏度，在折射率1-1.7范围内电子浓度为5.4×10

同理，电子浓度为8.8×10

电子浓度为12.2×10

由此可知，本申请提供的折射率传感器，其灵敏度最高可达到601nm/RIU；具有高的传感灵敏度以及较宽的检测范围，可用于一系列化学物质以及生物分子的测定，在生物传感和化学物质检测等领域具有很好的应用前景。

综上，本申请提供的基于PIT效应的宽波段可调谐的折射率传感器及检测系统，二维材料薄膜层的表面等离激元的共振波长在近红外波段可调谐，因此，基于本发明的折射率传感器可在近红外波段内对生物分子及化学物质的检测中具有很好的应用前景。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

以上所述，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。