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原文传递一种基于片上密集型波导的纳米颗粒传感器及其传感方法

专利名称：	一种基于片上密集型波导的纳米颗粒传感器及其传感方法
摘要：	本发明公开了一种基于片上密集型波导的纳米颗粒传感器及其传感方法。本发明将单根波导以不产生耦合的条件下最大密度水平缠绕在基底的表面形成密集型波导，当附着在密集型波导表面的纳米颗粒位于波导模式的倏逝场范围内时，探测光被纳米颗粒散射或吸收，透射功率产生一个急剧下降的台阶信号，这个台阶信号编码了纳米颗粒的大小信息，计算机通过识别台阶信号判断纳米颗粒有无，并得到纳米颗粒的大小信息；本发明的密集型波导传感面积大，比直波导提高两个数量级；同时捕获效率高，时间响应快；能够探测的纳米颗粒的半径为100纳米的小球；另外TM偏振的波导模式的散射信号是TE偏振的30倍。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	北京;11
申请人：	北京大学
发明人：	肖云峰;唐水晶;俞骁翀;龚旗煌
专利状态：	有效
申请日期：	2018-03-22T00:00:00+0800
发布日期：	2019-10-01T00:00:00+0800
申请号：	CN201810238271.9
公开号：	CN110296986A
代理机构：	北京万象新悦知识产权代理有限公司
代理人：	王岩
分类号：	G01N21/84(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	100871 北京市海淀区颐和园路5号
主权项：	1.一种基于片上密集型波导的纳米颗粒传感器，其特征在于，所述纳米颗粒传感器包括：基底、单根波导、光源装置、第一和第二光纤波导耦合器、光电探测器、数据采集卡和计算机；其中，所述单根波导在不会产生耦合的条件下以最大密度绕在基底上表面的平面上，缠绕形成的形状的曲率半径大于5μm，以降低光的损耗，从而在基底的表面形成密集型波导；在单根波导的一端设置第一光纤波导耦合器，在单根波导的另一端设置第二光纤波导耦合器；所述光电探测器连接至数据采集卡；所述数据采集卡连接至计算机；所述光源装置发出探测光，经第一光纤波导耦合器进入密集型波导，经密集型波导透射后，透射光经第二光纤波导耦合器由光电探测器接收；光电探测器将光信号转换为电信号后，传输至数据采集卡进行模数转换后，将数据传输至计算机进行数据均值滤波处理并提取传感信号；当附着在密集型波导表面的纳米颗粒位于密集型波导的波导模式的倏逝场范围内时，探测光被纳米颗粒散射或吸收，透射功率产生一个急剧下降的台阶信号，这个台阶信号编码了纳米颗粒的大小信息，计算机通过识别台阶信号判断纳米颗粒有无，并得到纳米颗粒的大小信息。 2.如权利要求1所述的纳米颗粒传感器，其特征在于，所述基底和波导采用对探测光损耗小的材料。 3.如权利要求1所述的纳米颗粒传感器，其特征在于，所述单个波导的横截面的宽和高均为百纳米。 4.如权利要求1所述的纳米颗粒传感器，其特征在于，所述第一和第二光纤波导耦合器采用光栅、光纤棱镜或者光纤锥-波导上下接触式耦合器。 5.如权利要求1所述的纳米颗粒传感器，其特征在于，所述光源装置包括激光器和函数发生器，激光器发出激光，经函数发生器形成光强稳定并具有设定形状和频率的探测光。 6.一种基于片上密集型波导的纳米颗粒传感方法，其特征在于，所述传感方法包括以下步骤： 1)光源装置发出探测光，经第一光纤波导耦合器进入密集型波导；经密集型波导透射后，透射光经第二光纤波导耦合器由光电探测器接收； 2)光电探测器将光信号转换为电信号后，传输至数据采集卡进行模数转换采集；然后将数据传输至计算机进行均值滤波处理并提取传感信号； 3)当附着在密集型波导表面的纳米颗粒位于密集型波导的波导模式的倏逝场范围内时，探测光被纳米颗粒散射或吸收，透射功率产生一个急剧下降的台阶信号，这个台阶信号编码了纳米颗粒的大小信息； 4)计算机识别台阶信号，并通过台阶信号判断纳米颗粒有无，进一步得到纳米颗粒的大小信息。 7.如权利要求6所述传感方法，其特征在于，在步骤4)中，计算机通过识别台阶信号包括以下步骤： a)将数据采集的时间区间内的数据划分为多个处理单元，为了使算法在提取信号时不受环境引起的缓变信号的影响，并同时能够识别两个时间间隔较近的台阶信号，这个处理单元的时间区间不宜太长，时间区域在0.06s～0.1s； b)计算前后第(N-1)个处理单元和第(N+1)个处理单元的平均值之差，N为≥10的自然数； c)通过对比所得到的差值与第(N-M)个处理单元和第(N+M)个处理单元区间内信号的噪声水平，将台阶识别出来，从而得到台阶信号，M为≤N的自然数，且10≤M≤100。 8.如权利要求7所述传感方法，其特征在于，每一个台阶信号，代表探测到了一个纳米颗粒，从而从识别出的台阶信号判断了纳米颗粒的有无。 9.如权利要求7所述传感方法，其特征在于，通过台阶信号得到纳米颗粒的大小信息，包括以下步骤： a)根据台阶信号得到此时由纳米颗粒在波导表面引起的散射效率，散射效率等于台阶对应的探测光强下降功率除以探测光总功率； b)然后根据散射效率的大小，在有限元仿真得到的标定数据上找到纳米颗粒的粒径范围，从而得到此时纳米颗粒的大小。 10.如权利要求9所述传感方法，其特征在于，在步骤b)中，通过有限元仿真得到标定数据，包括以下步骤： i.首先将密集型波导、纳米颗粒以及基底的材料根据实际参数进行几何建模，同时定义材料的折射率和吸收系数； ii.对已经建立的几何模型进行网格划分； iii.然后进行光场模拟，设置光场边界条件，通过求解麦克斯韦方程和电磁场微分方程得到不同大小的纳米颗粒在波导上引起的散射效率，从而得到纳米颗粒的大小的标定数据。
所属类别：	发明专利