阅读说明：本技术 一种柔性共振型光学芯片及应用该芯片的传感器 (Flexible resonance type optical chip and sensor using same ) 是由 逯丹凤 刘一鸣 曹从军 夏卫民 刘杰 于 2021-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开的一种柔性共振型光学芯片,包括承载件,为柔性基底,使用柔性光透明聚合物材料；低折射率缓冲层,形成于所述承载件一表面。本发明还公开了一种应用柔性共振型光学芯片的传感器。由于本发明采用柔性聚合物材料代替了以往一直采用的玻璃、硅等刚性衬底,其机械柔韧性大幅提升,不易破损,且实验测试表明,其光学特性未受其衬底材料改变的影响。本发明的柔性共振型芯片,可以应用于棱镜耦合、光栅耦合、光波导耦合等多种模式下,灵活性高,适用性强。(The invention discloses a flexible resonance type optical chip, which comprises a bearing part, a flexible substrate, a flexible optical transparent polymer material and a flexible optical transparent polymer material, wherein the bearing part is a flexible substrate; the low-refractive-index buffer layer is formed on one surface of the bearing piece. The invention also discloses a sensor applying the flexible resonance type optical chip. According to the invention, the flexible polymer material is adopted to replace the rigid substrates such as glass, silicon and the like which are adopted in the past, so that the mechanical flexibility is greatly improved, the rigid substrates are not easy to damage, and experimental tests show that the optical characteristics of the flexible polymer material are not influenced by the change of the substrate material. The flexible resonance type chip can be applied to prism coupling, grating coupling, optical waveguide coupling and other modes, and has high flexibility and strong applicability.)

一种柔性共振型光学芯片及应用该芯片的传感器

技术领域

本发明属于光学传感器技术领域，具体涉及一种柔性共振型光学芯片，本发明还涉及应用该芯片的传感器。

背景技术

表面等离子体共振(Surface Plasma Resonance，简称SPR)传感器是一种基于表面消逝波敏感的生化检测与分析仪器，具有抗电磁干扰、免标记、原位实时等优点，在环境监测、食品安全与公共安全检测、临床医学、生物与生命科学、表面与界面科学等领域具有广泛应用需求。但其基底多采用硅、玻璃等刚性材料，机械柔韧性严重不足，无法应用于可穿戴设备、可折叠显示设备等众多新兴领域。目前还缺少一种制作简单、成本较低的柔性共振芯片。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柔性共振型光学芯片，解决了现有基底机械柔韧性严重不足的问题。

本发明的另一目的在于提供一种应用柔性共振型光学芯片的传感器。

本发明所采用的第一种技术方案是：一种柔性共振型光学芯片，包括：

承载件，为柔性基底，使用柔性光透明聚合物材料；

低折射率缓冲层，形成于承载件一表面。

本发明第一种技术方案的特点还在于，

承载件的材料不仅限于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚二甲基硅氧烷(PDMS)中的一种。

低折射率缓冲层的材料不仅限于金、银或金银合金及其他低折射率金属、非金属材料。

还包括高折射率介质层，形成于低折射率缓冲层的非与承载件接触的另一表面，使用光透明材料，可以用作柔性漏模波导共振芯片及传感器；将柔性共振型光学芯片用作柔性表面等离子体共振芯片及传感器时，其中的高折射率介质层也可以不存在。

高折射率介质层不仅限于TiO₂薄膜、SiO₂薄膜或Al₂O₃薄膜中的一种，还可以为其他折射率高的光透明材料，可为多孔或致密形态。

还包括表面分子修饰层，形成于低折射率缓冲层表面或者高折射率介质层表面，用于实现特定生化分子例如葡萄糖分子、抗原分子等的辨识。

还包括过渡薄膜，形成于承载件和低折射率缓冲层之间，用于增强承载件和低折射率缓冲层之间的结合力。

过渡薄膜的材料为铬、钛、镍或钽中的一种，厚度1～5nm。

本发明所采用的第二种技术方案是：一种应用柔性共振型光学芯片的传感器，包括：

棱镜耦合器，位于承载件非与低折射率缓冲层接触的另一表面，通过耦合液将承载件与棱镜耦合器的底面紧密接触；

光源，位于棱镜耦合器的第一侧面；

线性起偏器，位于光源与棱镜耦合器之间；

光电探测器，位于棱镜耦合器的第二侧面；

光源发出的光经线性起偏器产生线性偏振光以预设入射角入射棱镜耦合器的第一侧面，在承载件与低折射率缓冲层界面处发生全反射，反射光从棱镜耦合器的第二侧面输出后被光电探测器接收。

本发明第二种技术方案的特点还在于，

棱镜耦合器为直角棱镜、半圆柱形棱镜或半球形棱镜；

当棱镜耦合器为直角棱镜时，其第一侧面和第二侧面分别为两直角面，其底面为斜面，直角棱镜为等腰直角棱镜；

当棱镜耦合器为半圆柱形棱镜或半球形棱镜，其第一侧面和第二侧面分别为对称的两弧形面，其底面为半圆柱形棱镜或半球形棱镜的平面。

本发明的有益效果是：

1)由于本发明采用柔性聚合物材料代替了以往一直采用的玻璃、硅等刚性衬底，其机械柔韧性大幅提升，不易破损，且实验测试表明，其光学特性未受其衬底材料改变的影响。

2)本发明的柔性共振型芯片，可以应用于棱镜耦合、光栅耦合、光波导耦合等多种模式下，灵活性高，适用性强。

附图说明

图1是本发明一种柔性共振型光学芯片用作柔性表面等离子体共振芯片的结构示意图；

图2是本发明一种柔性共振型光学芯片用作柔性漏模波导共振芯片的结构示意图；

图3是本发明一种应用柔性共振型光学芯片的传感器的结构示意图；

图4是实验测得的本发明实施例采用柔性表面等离子体共振芯片在可见光波段，入射角为12°时的反射光谱；

图5是实验测得的本发明实施例采用漏模波导共振芯片在可见光波段，入射角为12°时的反射光谱；

图6是实验测得的本发明实施例采用柔性表面等离子体共振芯片在可见光波段，入射角逐渐增大时的反射光谱；

图7是实验测得的本发明实施例采用漏模波导共振芯片在可见光波段，入射角逐渐增大时的反射光谱。

图中，1.承载件，2.低折射率缓冲层，3.高折射率介质层，4.棱镜耦合器，5.光源，6.线性起偏器，7.光电探测器。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明进行详细说明。

在本发明的一个示例性实施例中，提出了一种柔性表面等离子体共振芯片(SPR芯片)。图1为本发明实施例SPR芯片的结构示意图。如图1所示，该SPR芯片包括：承载件1，采用柔性聚合物PDMS；低折射率缓冲层2，形成于承载件1的一表面，选用金膜，使用磁控溅射离子直接喷溅形成，制作方式简单。

在本发明的另一个示例性实施例中，提出了一种柔性漏膜波导共振芯片。图2为本发明实施例漏模波导共振芯片的结构示意图。如图2所示，该柔性漏膜波导共振芯片包括：承载件1，采用柔性聚合物PDMS；低折射率缓冲层2，形成于承载件1的一表面，选用金膜；在低折射率缓冲层另一侧，制备一层TiO₂胶体薄膜层3，用于产生漏模波导共振。

图3为本发明实施例基于棱镜耦合模式的漏模波导共振传感器的结构示意图，其使用棱镜为等腰直角棱镜。光源5置于棱镜耦合器4一侧，线性起偏器6置于光源5与棱镜耦合器4之间，光源5发出的光垂直穿过线性起偏器6成为TM偏振光，该TM偏振光照射在棱镜耦合器4的一个镜面上折射进入棱镜耦合器4，并在传感器的柔性衬底1与低折射率缓冲层金膜2界面处发生全反射；在特定入射角或特定波长下，全反射产生的消逝场能够在低折射率缓冲层金膜2与TiO₂薄膜层3界面上激励表面等离子体波，导致反射光能量的大幅衰减。光电探测器7置于与光源5相对的棱镜耦合器4的另一侧，从棱镜耦合器4射出的反射光被光电探测器7接收，传感器通过实时监测反射光的变化就能够获取相关信息。

图4为实验测得的本发明实施例采用柔性SPR芯片在可见光波段的反射光谱，图中，入射角θ为12°。实验结果表明，该SPR芯片共振峰波长在550-600nm范围内，共振峰明显。

图5为实验测得的本发明实施例采用漏模波导共振芯片在可见光波段的反射光谱，图中，入射角θ为12°。实验结果表明，当一束光进棱镜时，在PDMS-Au界面处发生光的全反射，其产生的消逝场在TiO₂薄膜层内激发导模，共振引起入射光的反射光谱中部分波长范围内出现共振峰。从图5中可以清楚地看出，本发明实施例传感器共振峰波长在600-650nm范围内，共振峰明显。

图6为实验测得的本发明实施例采用柔性SPR芯片在可见光波段，入射角逐渐增大时的反射光谱。图中，入射角θ从12°逐渐增大到16°时，该SPR芯片反射光谱中仍可见明显共振峰，且随着入射角θ的增大，共振峰波长逐渐向红外谱区移动，即共振峰发生红移。

图7为实验测得的本发明实施例采用漏模波导共振芯片在可见光波段，入射角逐渐增大时的反射光谱。当入射角θ为9°-14°时，从图7中可以明显地看出，该漏膜波导共振传感器的反射光谱中共振峰明显，证明其在多个不同角度下，在导波层处均激发了导模，有能量泄漏，且共振峰波长随着入射角θ的增大，逐渐向波长较长的红外谱区偏移，即共振波长红移。