一种基于奇异点的光学薄膜微流控折射率传感器的制作方法

本发明涉及一种微流控折射率传感器。

背景技术：

1、所谓的奇异点(exceptional points)，一般是在非厄米系统，通过设计宇称—时间对称获得，是和传统的厄米系统中的狄拉克点(dirac point)相对比的一个状态点。有理论证明，当一个光学结构处于奇异点时，其对于待测物理量的响应表现出奇特的性质，即响应信号强度与被测量强度的平方根成线性关系。因而，对于很小的被测量，处于奇异点的光学传感器与传统的器件相比将具有更大的灵敏度。奇异点已应用于纳米粒子的检测，光学陀螺仪，以及石墨烯生物化学等方面的传感应用，这些光学传感器件都是通过奇异点的复平方拓扑性来提升灵敏度，从而到达增强检测的效果。

2、折射率是材料最基本的光学属性，由折射率的检测可间接获得材料其它属性的变化，比如温度，液体浓度等。折射率传感技术众多，包括等离激元共振传感和漏模波导传感等，但都面临器件成本和灵敏度提升之间的矛盾。目前，光学薄膜制备技术已经非常成熟，结合成本低廉的薄膜制备技术和奇异点增敏特性，有望实现低成本高性能的微流控折射率传感装置，以克服现有微流控折射率传感装置成本较高、性能较低的不足。

技术实现思路

1、为了克服现有微流控折射率传感器的上述不足，本发明提供一种低成本高性能的基于奇异点的光学薄膜微流控折射率传感器。

2、本发明解决其技术问题的技术方案是：一种基于奇异点的光学薄膜微流控折射率传感器，其由自下而上依次分布的绿色透明玻璃基底、金质的第一光损耗层、标准液体传感层，金质的第二光损耗层、绿色透明玻璃覆盖层组成。

3、光学多层膜结构的反射和透射特性可以利用传输矩阵进行表示，如下所示：

4、

5、其中rf和rb分别是正向和反向的反射系数，t为透射系数，正向反向透射系数相同。为了获得非厄米奇异点，传输矩阵的特征值需要简并，即在本设计中，选择rf≠rb＝0，即单向无反射。

6、绿色透明玻璃基底以及绿色透明玻璃覆盖层厚度远大于工作波长，其视为具n0折射率的半无限大空间。

7、垂直入射条件下第一光损耗层的特征矩阵为：

8、

9、其中，k0为真空波失，n1为第一光损耗层折射率，d1为第一光损耗层厚度且其小于工作波长，即第一光损耗层是超表面；

10、标准液体传感层的特征矩阵为：

11、

12、其中，k0为真空波失，nl为标准液体传感层折射率，dl为标准液体传感层厚度且其大于工作波长；

13、垂直入射条件下第二光损耗层的特征矩阵为：

14、

15、其中，k0为真空波失，n2为第二光损耗层折射率，d2为第二光损耗层厚度且其小于工作波长，即第二光损耗层是超表面；

16、正向入射和反向入射的等效特征矩阵为：

17、

18、

19、正向反射系数rf及反向反射系数rb分别为：

20、

21、

22、对于选定的材料，n0,n1,n2确定；标准液体传感层折射率nl,和厚度dl确定，通过先设定第一光损耗层的厚度d1，在保证rf≠rb＝0的情况下(即单向无反射),通过参数扫描的方式确定d2。

23、标准液体传感层通常采用水或者酒精等常见溶剂，实现奇异点的单向无反射要求(即入射光在标准液体折射率条件下无反射)后，当液体传感层折射率相对于标准液体折射率发生变化时，共振偏离奇异点，反射光强会发生从无到有的明显变化。对待测液体进行折射率测量时，通过微流泵向传感器内匀速泵入待测液体以替代标准液体，此时共振偏离奇异点，反射光强会发生从无到有的明显变化，最终导致基模和高阶模的有效折射率差发生变化，从而会引发透射光谱波长的偏移，通过观察透射光谱波峰/波谷的波长变化来实现对光纤内折射率的检测。

24、本发明的有益效果在于：本发明的传感器结构简单易制备，易实现器件集成。

技术特征：

1.一种基于奇异点的光学薄膜微流控折射率传感器，其特征在于：其由自下而上依次分布的绿色透明玻璃基底、金质的第一光损耗层、标准液体传感层，金质的第二光损耗层、绿色透明玻璃覆盖层组成；

技术总结
本发明公开了一种基于奇异点的光学薄膜微流控折射率传感器，涉及光学薄膜和微流控传感器领域，尤其涉及多层膜结构的设计。本发明主要通过材料选择和结构设计调节多层薄膜结构正向和反向传输损耗，以获得单向无反射特性，即传感灵敏度显著增强的奇异点。本发明所提供的薄膜传感器优化设计可应用于高性能化学/生物微流控传感。

技术研发人员：罗培栋,陈晨,赵程,黄文博,张强
受保护的技术使用者：宁波东旭成新材料科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/5/29