專利名稱：光纖耦合波導(dǎo)光柵傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于納米生物傳感器器件技術(shù)領(lǐng)域，通過將波導(dǎo)光柵納米結(jié)構(gòu)制備到光纖端面，從而得到一種新型光纖耦合波導(dǎo)光柵傳感器件。
背景技術(shù)：
波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)是一種具有窄帶光學(xué)響應(yīng)特性的光學(xué)器件，其窄帶光學(xué)共振響應(yīng)表現(xiàn)為透射光譜中的谷或反射光譜中的共振峰。當(dāng)光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)改變時(shí)，共振峰表現(xiàn)出良好的調(diào)諧特性，從而使得基于該結(jié)構(gòu)的傳感器能夠靈活地適應(yīng)于不同領(lǐng)域的要求。波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)由光柵層，電介質(zhì)波導(dǎo)層，基底層三部分構(gòu)成。波導(dǎo)層一般由高折射率(大于基底及環(huán)境的折射率)材料構(gòu)成，光柵層可以是電介質(zhì)材料，也可以是金屬。波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)的窄帶消光原理如下當(dāng)一束白光光束入射到該結(jié)構(gòu)時(shí)，一部分光將直接透射，一部分光被反射，另一部分光將被光柵衍射。衍射光中波長(zhǎng)滿足一定條件的光波在波導(dǎo)的上下表面多次反射從而限制在波導(dǎo)中，該部分光波在波導(dǎo)層的下表面將發(fā)生全反射，在波導(dǎo)層的上表面由于光柵的存在將再次被衍射，沿波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)反射光的方向出射并與該結(jié)構(gòu)的直接反射光干涉相長(zhǎng)，從而在波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)的反射光譜中將觀察到一個(gè)尖峰，透射光譜中將觀察到一個(gè)谷，這種現(xiàn)象稱為波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)的共振現(xiàn)象。一般來說共振峰的半高全寬很窄，典型值為 0. 25nm 3nm，因此波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)被廣泛用于窄帶濾波器件的開發(fā)；另外波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)的共振波長(zhǎng)對(duì)光柵上表面外的媒質(zhì)折射率變化非常敏感，這一特性使得波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)可用于光開關(guān)、生物傳感器等器件的開發(fā)。
實(shí)用新型內(nèi)容傳統(tǒng)的生物傳感器體積龐大，生產(chǎn)成本高，難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)傳感檢測(cè)，難以適用于空間狹小、高溫高壓、有毒有害等環(huán)境下的檢測(cè)。針對(duì)上述問題，為實(shí)現(xiàn)傳感器件的小型化，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)傳感檢測(cè)，并進(jìn)一步降低傳感器件對(duì)檢測(cè)環(huán)境的要求，本實(shí)用新型公開了一種光纖耦合波導(dǎo)光柵傳感器設(shè)計(jì)方案及其制備方法，所采用的技術(shù)方案如下光纖耦合波導(dǎo)光柵傳感器，其在光纖的端面處鍍有介質(zhì)波導(dǎo)層，在介質(zhì)波導(dǎo)層上制有光刻膠光柵，介質(zhì)波導(dǎo)層與光刻膠光柵形成波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)位于光纖端面上。所述的介質(zhì)波導(dǎo)層的折射率大于所述光纖的折射率，其制備材料包括ITO、ZnO, Ti205。所述的光刻膠為正膠或負(fù)膠。光纖耦合波導(dǎo)光柵傳感器的制備方法，其步驟包括a在光纖的端面制備介質(zhì)波導(dǎo)層；b利用旋涂法或吹涂法制備光刻膠層；(注旋涂法是旋轉(zhuǎn)涂抹法的簡(jiǎn)稱，是一種薄膜制備方法，主要有設(shè)備為勻膠機(jī)， 旋涂法包括滴膠，高速旋轉(zhuǎn)，揮發(fā)成膜三個(gè)步驟，通過調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)的時(shí)間、轉(zhuǎn)速、以及所用溶液的濃度、粘度和滴液量來控制成膜的厚度。)[0011]C利用激光對(duì)光刻膠進(jìn)行干涉光刻，實(shí)現(xiàn)光刻膠光柵的制備。光纖耦合波導(dǎo)光柵傳感器的制備方法中，所述的介質(zhì)波導(dǎo)層的制備方法包括磁控濺射法、激光脈沖沉積法，化學(xué)氣相沉積法。光纖耦合波導(dǎo)光柵傳感器的制備方法中，所述的吹涂法是指將拋光后的光纖端面浸入光刻膠中，取出后隨即用氣流對(duì)光纖端面附著的光刻膠層進(jìn)行吹涂，然后將所制備光纖放在加熱板上加熱。光纖耦合波導(dǎo)光柵傳感器的制備方法，利用紫外激光對(duì)光刻膠進(jìn)行干涉光刻中， 所用的激光為波長(zhǎng)小于400nm的激光。在用紫外激光干涉光刻法制備光刻膠光柵過程中，若將光纖繞其法線旋轉(zhuǎn)90度， 再進(jìn)行第二次曝光，即可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)二維光刻膠光柵的制備。所制備的一維或二維光刻膠光柵周期為200nm 2000nm。本實(shí)用新型可以取得如下有益效果，該傳感器件為探針式光纖傳感器件，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)傳感檢測(cè)。該傳感器件具有體積小、攜帶方便、抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)勢(shì)，可適用于檢測(cè)空間狹小，被檢測(cè)物難以接近、檢測(cè)環(huán)境高溫高壓、有毒有害等極端情況下的傳感檢測(cè)。另外，本實(shí)用新型所提出的光纖耦合波導(dǎo)光柵傳感器件的信號(hào)光為反射光，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不透明樣品的傳感檢測(cè)。
圖1、光纖耦合波導(dǎo)光柵傳感器件結(jié)構(gòu)示意圖。圖2、光纖端面上波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)制備過程示意圖。圖3、紫外激光干涉光刻法制備光柵結(jié)構(gòu)的光路圖。圖4、光纖端面上紫外激光干涉光刻方法制備的光纖耦合波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)的光刻膠光柵掃描電鏡圖。圖5、光纖耦合波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)的反射光譜。圖中虛線為光纖端面上無結(jié)構(gòu)時(shí)的反射光譜，實(shí)線為光纖端面上制備上波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)后的反射光譜。圖6、本實(shí)用新型的實(shí)物展示圖。圖中l(wèi)、355nm固體激光器，2、介質(zhì)膜全反鏡，3、激光擴(kuò)束透鏡組，4、分束鏡，5、光纖束。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。光纖耦合波導(dǎo)光柵傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，其特征在于在光纖的端面處鍍有介質(zhì)波導(dǎo)層，在介質(zhì)波導(dǎo)層上制有光刻膠光柵，介質(zhì)波導(dǎo)層與光刻膠光柵形成波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)位于光纖端面上。所述的介質(zhì)波導(dǎo)層的折射率大于所述光纖的折射率，其制備材料包括ΙΤ0、ZnO, Ti205。所述的光刻膠為正膠或負(fù)膠。上述的光纖耦合波導(dǎo)光柵傳感器的制備方法，包括如下步驟(如圖2所示)3/3頁1)選取直徑為400 μ m的光纖，并將端面進(jìn)行拋光。拋光工作分為以下四個(gè)步驟 (1)用型號(hào)為800型的砂紙對(duì)光纖端面進(jìn)行研磨，初步獲得較平整的光纖端面；( 用型號(hào)為MOO型的砂紙對(duì)光纖端面進(jìn)行研磨，進(jìn)一步提高光纖端面的平整性；C3)用型號(hào)為4000 型的砂紙對(duì)光纖端面進(jìn)行拋光；第四步，用顆粒直徑大約在300nm的金剛砂粉末對(duì)光纖端面進(jìn)行最后拋光。2)利用磁控濺射法在光纖端面上濺射厚度為200nm的SiO (折射率大約為1. 96) 介質(zhì)層。3)利用氣流吹涂法在光纖端面上制備光刻膠層。具體過程為將拋光后的光纖端面浸入S1805光刻膠中，取出后隨即用氣流對(duì)光纖端面附著的光刻膠層進(jìn)行吹涂，通過氣流吹涂實(shí)現(xiàn)光纖端面上厚度均勻的光刻膠層的制備。然后將所制備樣品放在加熱板上在 170°C下加熱1分鐘。除用吹涂法外，本實(shí)用新型中的光刻膠層亦可用旋涂法進(jìn)行制備。4)將制備的端面涂有光刻膠的光纖樣品置于如圖3所示的干涉光路中。光路中采用波長(zhǎng)為355nm固體激光器1作為紫外激光干涉光刻的光源，激光輸出首先經(jīng)過激光擴(kuò)束透鏡組3擴(kuò)束，然后經(jīng)分束鏡4分成等光強(qiáng)的兩束，再由兩個(gè)介質(zhì)膜全反鏡以半夾角θ 合成在涂有光刻膠的光纖束5的前端面，半夾角θ的大小可通過調(diào)節(jié)介質(zhì)膜全反鏡2來控制，經(jīng)過曝光顯影后即可在光纖端面上刻蝕出光刻膠光柵結(jié)構(gòu)。該實(shí)例中θ，制備得到的光柵周期為425nm，所制備的光纖端面上的波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)的電子掃描圖像如圖4所示。相應(yīng)的光纖耦合波導(dǎo)光柵傳感器件的反射光譜測(cè)試結(jié)果如圖5所示，從圖5所示的測(cè)試結(jié)果可以看到光纖耦合波導(dǎo)光柵傳感器件的反射光譜中觀測(cè)到了一個(gè)窄帶反射峰，表明器件的制備獲得了良好的光譜響應(yīng)性能。圖6為光纖耦合波導(dǎo)光柵傳感器件的實(shí)物展示圖，可以清楚的反映本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求1.光纖耦合波導(dǎo)光柵傳感器，其特征在于在光纖的端面處鍍有介質(zhì)波導(dǎo)層，在介質(zhì)波導(dǎo)層上制有光刻膠光柵，介質(zhì)波導(dǎo)層與光刻膠光柵形成波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)位于光纖端面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖耦合波導(dǎo)光柵傳感器，其特征在于所述的介質(zhì)波導(dǎo)層的折射率大于所述光纖的折射率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖耦合波導(dǎo)光柵傳感器，其特征在于所述的光刻膠為正膠或負(fù)膠。
專利摘要光纖耦合波導(dǎo)光柵傳感器，屬于納米生物傳感器器件技術(shù)領(lǐng)域。光纖耦合波導(dǎo)光柵傳感器，其在光纖的端面處鍍有介質(zhì)波導(dǎo)層，在介質(zhì)波導(dǎo)層上制有光刻膠光柵，介質(zhì)波導(dǎo)層與光刻膠光柵形成波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)位于光纖端面上。通過利用紫外激光干涉光刻方法在光纖端面的波導(dǎo)層上制備光柵納米光學(xué)結(jié)構(gòu)，獲得一種新型光纖耦合波導(dǎo)光柵傳感器器件。該傳感器件為探針式光纖傳感器件，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)傳感檢測(cè)。該傳感器件具有體積小、攜帶方便、抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)勢(shì)，可適用于檢測(cè)空間狹小，被檢測(cè)物難以接近、檢測(cè)環(huán)境高溫高壓、有毒有害等極端情況下的傳感檢測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不透明樣品的傳感檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01N21/41GK202330264SQ201120224179
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月29日
發(fā)明者馮勝飛, 龐兆廣, 張新平 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)