光学传感器系统的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及利用表面等离子体共振的光学传感器系统。
【背景技术】
[0002] 利用表面等离子体共振（入射光与金属微粒内的电子的振动的共振）检测金属膜 表面的折射率的表面等离子体传感器，由于灵敏度高且不需要标记，因此主要被用于生物 领域的研究。
[0003] 使用该传感器的通常的传感方法中，通过借助棱镜使光会聚而入射到设置于棱镜 的1面的金属膜并检测其反射光，从而根据光被吸收的入射角来分析金属膜表面的折射 率。此外，通常通过预先在金属膜设置吸附特定的分子的吸附层，根据折射率来换算分子的 浓度。
[0004] 然而，为了实施该传感方法，需要由光源、透镜、棱镜等构成的复杂的装置。因而， 由于需要保证安装装置时的精度、进行使装置不发生经时变化这样的严格的温度管理、对 传感的结果中产生的偏差进行校正等，所以耗费成本且装置大型化。此外，在上述装置中， 难以进行分子水平的高精度的检测。
[0005] 对此，为了小型化且进行灵敏度高的检测，提出了使用共振器的方法。
[0006] 例如，在专利文献1中公开了一种传感器，其在平面状的波导的一部分组装微小 共振器，检测该微小共振器表面的折射率变化所带来的光谱响应的变化。该微小共振器是 用于表面等离子体波的共振器，具有薄的金属层，使用反射部分为周期结构的分布式布拉 格反射器（DBR 〖Distributed Bragg Reflector) 〇
[0007] 此外，专利文献2中公开了一种局域表面等离子体传感器，其在光纤的端面形成 有激发局域表面等离子体共振的尺寸的金属微粒层，在该金属微粒层的表面形成有与检测 对象分子互补的分子的分子层。该局域表面等离子体传感器利用从光纤的端面反射或散射 后的光的变化，检测吸附或结合于上述互补的分子上的检测对象分子。
[0008] 现有技术文献
[0009] 专利文献
[0010] 专利文献1 :日本公表专利公报"特表2007-537439号（2007年12月20日公表）"
[0011] 专利文献2 :日本专利公报"专利04224641号（2009年2月18日发行）"
[0012] 非专利文献
[0013] 非专利文献 I 〖Cleveland Eugene Rayford II，George Schatz and Kevin Shuford，"Optical Properties of Gold Nanospheres'，，Nanoscape Volume. 2, Issue 1， p. p.27-33 (2005 年春发行）
[0014] 非专利文献 2 :Ε· Stefan Kooi j and Bene Poelsema，"Shape and size effects in the optical properties of metallic nanorods'，，Physical Chemistry Chemical Physics，2006,8, p. p. 3349-3357 (2006 年 3 月 10 日发行）
[0015] 非专利文献 3 :M. Li，Z.S. Zhang，X. Zhang，K.Y. Li and X.F. Yu/'Optical properties of Au/Ag core/shell nanoshuttles'，，Optics Express Vol. 16，No. 18， p. p. 14288-14293 (2008 年 8 月 28 日发行）
【发明内容】
[0016] 发明要解决的技术问题
[0017] 可是，在专利文献1中公开的传感器中，由于使光源的光转换为表面等离子体，使 微小共振器在共振的状态下与检测对象反应，再次从表面等离子体转换为光来进行检测， 因此从光向表面等离子体的转换中产生光强度的损失。此外，由于利用2~10微米长的共 振器，作为衰减波的表面等离子体波在共振器内部损失，不能期望灵敏度提高。此外，由于 需要另外设置光源，与此相应地小型化存在界限。
[0018] 专利文献2公开的传感器中，由于没有使用共振器，因此灵敏度低。此外，在该传 感器中，使光源的光与光纤结合时，产生光强度的损失。
[0019] 本发明是鉴于上述技术问题而完成的，其目的在于提供能够实现高灵敏度化和小 型化的光学传感器系统。
[0020] 解决技术问题的手段
[0021] 为了解决上述的技术问题，本发明的一个方式的光学传感器系统的特征在于：上 述光学传感器系统包括光学传感器头和计算部，上述光学传感器头具有：发光器件，其具有 第一反射面、与上述第一反射面相对的第二反射面和设置在上述第一反射面与上述第二反 射面之间的波导；和检测从上述发光器件出射的光的检测器，该光学传感器头在上述第一 反射面上形成有至少一个激发表面等离子体的金属微粒，上述计算部根据上述检测器的检 测值计算上述第一反射面的环境参数。
[0022] 发明效果
[0023] 在本发明的一个方式中，由第一反射面、第二反射面和波导构成共振器。通过使第 一反射面的环境参数变化，由金属微粒激发的表面等离子体的激发波长变化，从而第一反 射面的反射率变化。该变化使发光器件的振荡条件变化，因此从发光器件出射的光的强度 也变化。因此，根据由上述检测器检测的从上述发光器件出射的光的强度，以及由此换算出 的与振荡条件相关的参数，能够检测第一反射面4的环境参数。
[0024] 另外，所谓环境参数是指，对第一反射面的光学特性引起变化（金属微粒的周边 或金属微粒自身的折射率的变化、第一反射面的反射率的变化）的主要因素的指标。
[0025] 此外，检测由振荡条件变化引起的强度变化，因此，与检测仅由表面等离子体的激 发波长变化引起的强度变化相比，能够提高灵敏度。
[0026] 而且，在上述发光器件的上述第一反射面上形成有至少一个能够激发表面等离子 体的金属微粒，因此能够将光学传感器头构成为大致发光器件的尺寸，能够大幅地小型化。
【附图说明】
[0027] 图1是表示本发明的实施方式1的光学传感器系统中的光学传感器头的结构例的 立体图。
[0028] 图2中，（a)是表示上述光学传感器头的金属微粒的配置的剖面图，（b)是表示上 述光学传感器头的介于保护层中的金属微粒的配置的剖面图。
[0029] 图3中，（a)是表示上述光学传感器头的表面等离子体激发波长与来自金属微粒 的光的透射率之间的关系的图，（b)是表示上述光学传感器头的表面等离子体激发波长与 来自金属微粒的光的反射率之间的关系的图。
[0030] 图4是本发明的实施方式1的变形例的上述光学传感器头的立体图。
[0031] 图5是上述变形例的上述光学传感器头的侧面图。
[0032] 图6是表示本发明的实施方式1的光学传感器系统的结构例的立体图。
[0033] 图7中，（a)是表示上述光学传感器系统的光学传感器头的使第一反射面的反射 率和第二反射面的反射率变化时的从第二反射面放射的光的微分效率的图，（b)是表示上 述光学传感器系统的上述光学传感器头的使第一反射面的反射率和第二反射面的反射率 变化时的阈值电流的变化的图。
[0034] 图8是表示上述光学传感器系统的发光器件以单模进行振荡时的该发光器件的 发光光谱与表面等离子体激发波段之间的关系的图。
[0035] 图9是表示上述光学传感器系统的发光器件以多模进行振荡时的该发光器件的 发光光谱与表面等离子体激发波段之间的关系的图。
[0036] 图10是表示上述光学传感器系统的发光器件的发光光谱与表面等离子体激发波 段的另一关系的图。
[0037] 图11是表示本发明的实施方式1的光学传感器系统的另一结构例的立体图。
[0038] 图12是表示本发明的实施方式2的光学传感器系统的结构例的图。
[0039] 图13是表示本发明的实施方式3的光学传感器系统的另一结构例的图。
【具体实施方式】
[0040] 〔实施方式1〕
[0041] 参照图1~图4对本发明的实施方式1的光学传感器系统中的光学传感器头1进 行说明如下。
[0042] [光学传感器头的结构]
[0043] 图1是表示本实施方式的光学传感器系统中的光学传感器头1的结构例的立体 图。
[0044] 如图1所示，光学传感器头1包括发光器件2、金属微粒7和检测器3。虽然省略 图示，但它们被封装而形成为一体。发光器件2呈长方体的形状，具有第一反射面4、与第 一反射面4相对的第二反射面5和设置在第一反射面4与第二反射面5之间的波导6。此 外，第一反射面4上形成有金属微粒7。
[0045] 发光器件2构成为，在波导6的两端设置有第一反射面4和第二反射面5,光在第 一反射面4与第二反射面5之间在波导6内沿着z方向和与z方向相反的方向往返。由于 波导6具有增益，在波导6中往返的光因增益而被放大，一部分的光从第一反射面4和第二 反射面5放射到外部。像这样，发光器件2由于具有第一反射面4、第二反射面5和波导6 而构成共振器。
[0046] 作为发光器件2,具体而言只要使用市场上销售的激光元件即可，特别地，为了小 型化，优选半导体激光器元件。此外，为了提高灵敏度，可以使用分布反馈型激光元件。此 外，通过使用半导体激光器元件，如后所述，根据由检测器3检测到的通过第一反射面4和 第二反射面5中的至少一个反射面而被放射到外部的光的强度，计算第一反射面4的环境 参数变得容易。
[0047] 另外，后面将对环境参数详细进行说明。
[0048] 作为发光器件2使用激光器时，单模振荡和多模振荡均可。通常，多模振荡与单模 振荡相比强度强，单模振荡与多模振荡相比发光器件2的振荡光谱窄。因此，通过使用单模 振荡，表面等离子体激发波段的检测分辨率变高，检测灵敏度变高。
[0049] 如果是市场上销售的激光器元件（半导体激光器等），则已经设置有第一反射面 4、第二反射面5和波导6。但是，也可以在第一反射面4和第二反射面5上还制作其他膜， 从而调整反射率。
[0050] 检测器3可以是市场上销售的光检测器，也可以是分光仪。市场上销售的光检测 器虽然仅能够检测光强度，但小型且低成本。分光仪虽然不能如光检测器那般小型，但能够 检测反射光谱，因此不仅能够得到光强度的信息，也能够得到波长移位的信息。它们的检测 面可以稍微倾斜，使得检测的光反射而不返回光源。
[0051] 此外，只要是能够检测从发光器件2出射的光、即从发光器件2的第一反射面4或 第二反