基于有源微管的諧振式光微流體傳感裝置和方法制造方法及圖紙

基于有源微管的諧振式光微流體傳感裝置和方法包括：泵浦和輔助定位光源，光纖耦合器，準(zhǔn)直擴(kuò)束、聚焦裝置，角度調(diào)節(jié)臺，耦合棱鏡，有源微管，夾持架和光譜分析裝置。泵浦光源為激光提供泵浦光；準(zhǔn)直裝置和耦合棱鏡用于使泵浦光耦合進(jìn)入有源微管；有源微管是摻有增益介質(zhì)的微管，構(gòu)成激光的諧振腔，同時也是傳感通道和待測流體傳送通道；聚焦裝置和光譜分析裝置用于收集和分析有源微管耦合出射的激光，實(shí)現(xiàn)傳感。該傳感裝置采用有源微管作為光微流體諧振腔，實(shí)現(xiàn)了諧振腔、傳感通道和流體傳送通道的一體化，具有集成優(yōu)點(diǎn)；同時利用摻雜增益介質(zhì)產(chǎn)生激光，大大減小光譜譜線寬度，提高了傳感器探測能力。該裝置能用于多種途徑，已有技術(shù)可批量生產(chǎn)。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及各種基于光學(xué)微腔諧振傳感的
，屬于光生物和化學(xué)傳感技術(shù)。
技術(shù)介紹
基于微諧振光學(xué)傳感技術(shù)的無標(biāo)記生物傳感器直接測量分子相互作用，能實(shí)現(xiàn)生物分子相互作用的實(shí)時觀察，由于無需待測分析物具有熒光，特征吸收或散射帶等特殊性質(zhì)，測量對象范圍大大擴(kuò)展，可探測毒素，蛋白質(zhì)，DNA，甚至整個細(xì)胞行為，從而為醫(yī)學(xué)診斷，藥品研制，食物監(jiān)測，環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域提供了有力的分析工具。光微諧振腔利用全反射將光約束在微腔內(nèi)，產(chǎn)生回音壁諧振模(Whisper GalleryMode, WGM)。由于是全反射，泄漏損耗非常小，因而光微諧振腔可以很小的尺寸獲得很高的Q值，Q值可高達(dá)10'當(dāng)附在微腔表面的待測物濃度引起折射率變化時， 諧振腔的有效折射率將產(chǎn)生變化，從而引起諧振波長漂移。通過檢測波長漂移，即可檢測出待測物濃度變化。球形、環(huán)形和柱形是光微諧振腔的常見幾何形狀。如2002年， F. Vollmer利用光微諧振腔的高Q值，基于微球提出一種新型生物傳感器(F. Vollmer, D. Braun,A.Libchaber, “Protein detection by optical shift of a resonant microcavity, ” Applied PhysicsLetters, 2002, 80 (21) : 4057-4059),微球腔理論上具有最高的品質(zhì)因子，但固定夾持困難，不容易實(shí)現(xiàn)集成。基于平面光波導(dǎo)技術(shù)的微環(huán)和微盤可采用集成光學(xué)光刻的方式制作，易于大規(guī)模集成，因此基于微環(huán)(如A. Ksendzov, Y. Lin, “Integrated optics ring-resonator sensorsfor protein detection,，，Optics Letters, 2005, 30 (24) : 3344-3346 ；Yalcin, A. Popat，K. C. Aldridge, J. C. , et al. , "Optical sensing of biomolecules using microring resonators, ^IEEEJournal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2006，12 (I) : 148-155)、微盤諧振腔 (如 E. Krioukov, D. J. W. Klunder, A. Driessen, J. Greve, and C. Otto, 〃Sensor based on an integratedoptical microcavity, "Opt. Lett. 2002, 27，512—514)的光學(xué)傳感器的研究工作得到較多關(guān)注。但是，光刻產(chǎn)生的微腔表面不光滑，大幅度降低了微腔Q值，嚴(yán)重影響了探測裝置的靈敏度。D. K. Armani等通過對微盤進(jìn)行回流處理(D. K. Armani, T. J. Kippenberg, S. M. SpiIlance, k. J. Vahala, ^Ultra high Q toroid microcavity on a chip, "Nature, 2003, 421:925-928)，使微腔Q值得以超過107，利用該微諧振腔，該課題組的 Andrea M. Armani等進(jìn)一步成功地實(shí)現(xiàn)了對單個生物分子的探測(Andrea M. Armani, Rajan P. Kulkarni, Scott E.Fraser, RichardC. Flagan, Kerry J. Vahala, 〃Lable_free, single-m olecule detection with optical microcavities, "Science, 2007，317:783-787),充分證明了光微諧振腔生物傳感器的靈敏度優(yōu)勢。但為了使微諧振腔與待檢測分子能夠相互作用，這些傳感器均需要另外設(shè)計制作分立的樣品池或樣品通道，使得整個傳感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。采用微管技術(shù)的微諧振腔傳感器可實(shí)現(xiàn)樣品傳送通道和傳感通道的合二為一，大大簡化傳感器結(jié)構(gòu)并提高可靠性(如 I. M. White, H. Oveys, andX. Fan, ^Liquid-core optical ring-resonator sensors, "Opt. Lett. ,2006,31, 1319-1321)。但諧振腔的無源本質(zhì)使得光信號微弱，研究人員開始考慮采用有源的方式提高 信號(如，L. He, K. Zdemir, J. Zhu, W. Kim, L. Yang, "Detecting single viruses and nanoparticlesusing whispering gallery microlasers. "Nature Nanotechnology,2011，6(7) :428-432)，但以往的方法是基于溶膠凝膠法，在微盤上涂覆一層增益介質(zhì)薄膜構(gòu)成WGM有源腔，制作復(fù)雜，不容易保持一致性，且樣品輸送困難。因此要實(shí)現(xiàn)生物和化學(xué)高靈敏度檢測，需要設(shè)計新型的有源光微流體傳感裝置。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)旨在提出一種基于有源微管的光微流體傳感裝置和方法。該傳感裝置包括泵浦光源采用980nm激光器，為有源微管提供泵浦光，以實(shí)現(xiàn)微管內(nèi)部摻雜介質(zhì)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，光源單模輸出功率(T850mw。輔助定位光源采用650nm半導(dǎo)體激光光源，用作定位泵浦光耦合位置的參考光源。光纖耦合器用于將泵浦光源和輔助定位光源所發(fā)出的光合成一束并傳輸?shù)綔?zhǔn)直擴(kuò)束裝置中。準(zhǔn)直擴(kuò)束裝置用于對光纖耦合器傳輸過來的光進(jìn)行準(zhǔn)直擴(kuò)束，形成平行光。角度調(diào)節(jié)臺準(zhǔn)直擴(kuò)束裝置安裝在角度調(diào)節(jié)臺標(biāo)有刻度的半圓形軌道上。通過改變準(zhǔn)直擴(kuò)束裝置在軌道上的位置改變?nèi)肷涔獾慕嵌龋M(jìn)而選擇泵浦光的模式。耦合棱鏡準(zhǔn)直擴(kuò)束裝置中出射的平行光以一定角度射入耦合棱鏡表面并發(fā)生全反射，全反射時產(chǎn)生的倏逝波耦合進(jìn)入有源微管中，有源微管與棱鏡端面平行且間距在 50 100nm之間。有源微管安裝在有源微管夾持架上，耦合棱鏡全反射產(chǎn)生的倏逝波耦合進(jìn)入有源微管中。微管成分為摻有增益介質(zhì)的石英，一般有摻鉺、摻鐿、鉺鐿共摻三種摻雜方式。有源微管一方面作為產(chǎn)生激光的諧振腔和工作介質(zhì)，在該有源微管管壁內(nèi)，滿足諧振條件的光波長形成穩(wěn)定的能量分布模式(回音壁諧振模式，WGM)，并在微管內(nèi)表面附近形成倏逝場以進(jìn)行光微流體傳感；另一方面還作為樣品的輸送通道，在微管內(nèi)腔中輸送待測樣品。有源微管夾持架用于夾持有源微管，并調(diào)節(jié)與耦合棱鏡的耦合距離。聚焦裝置有源微管中出射的信號光被聚焦裝置收集并輸入到光譜分析裝置，聚焦裝置安裝在角度調(diào)節(jié)臺的半圓形軌道上。光譜分析裝置用于分析出射的激光光譜，通過檢測光譜中諧振峰的漂移量，實(shí)現(xiàn)對待測樣品濃度的檢測。一種基于有源微管的諧振式光微流體傳感方法，其特征在于該方法的具體過程如下第I、泵浦光源和輔助定位光源發(fā)出的光通過光纖耦合器入射到準(zhǔn)直擴(kuò)束裝置，準(zhǔn)直擴(kuò)束后形成平行光入射到耦合棱鏡上；第2、通過調(diào)節(jié)準(zhǔn)直擴(kuò)束裝置在角度調(diào)節(jié)臺上的位置改變?nèi)肷浣牵{(diào)節(jié)時利用輔助定位光源形成的光線和光斑確定調(diào)節(jié)量。第3、泵浦光通過耦合棱鏡耦合進(jìn)入摻有增益介質(zhì)本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于有源微管的諧振式光微流體傳感裝置，其特征在于該傳感裝置包括：泵浦光源：采用980nm激光器，為有源微管提供泵浦光，以實(shí)現(xiàn)微管內(nèi)部摻雜介質(zhì)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，光源單模輸出功率0~850mw；輔助定位光源：采用650nm半導(dǎo)體激光光源，用作定位泵浦光耦合位置的參考光源；光纖耦合器：用于將泵浦光源和輔助定位光源所發(fā)出的光合成一束并傳輸?shù)綔?zhǔn)直擴(kuò)束裝置中；準(zhǔn)直擴(kuò)束裝置：用于對光纖耦合器傳輸過來的光進(jìn)行準(zhǔn)直擴(kuò)束，形成平行光；角度調(diào)節(jié)臺：準(zhǔn)直擴(kuò)束裝置安裝在角度調(diào)節(jié)臺標(biāo)有刻度的半圓形軌道上；通過改變準(zhǔn)直擴(kuò)束裝置在軌道上的位置改變?nèi)肷涔獾慕嵌龋M(jìn)而選擇泵浦光的模式；耦合棱鏡：準(zhǔn)直擴(kuò)束裝置中出射的平行光以一定角度射入耦合棱鏡表面并發(fā)生全反射，全反射時產(chǎn)生的倏逝波耦合進(jìn)入有源微管中，有源微管與棱鏡端面平行且間距在50~100nm之間；有源微管：安裝在有源微管夾持架上，耦合棱鏡全反射產(chǎn)生的倏逝波耦合進(jìn)入有源微管中；微管成分為摻有增益介質(zhì)的石英，一般有摻鉺、摻鐿、鉺鐿共摻三種摻雜方式；有源微管一方面作為產(chǎn)生激光的諧振腔和工作介質(zhì)，在該有源微管管壁內(nèi)，滿足諧振條件的光波長形成穩(wěn)定的能量分布模式，并在微管內(nèi)表面附近形成倏逝場以進(jìn)行光微流體傳感；另一方面還作為樣品的輸送通道，在微管內(nèi)腔中輸送待測樣品；有源微管夾持架：用于夾持有源微管，并調(diào)節(jié)與耦合棱鏡的耦合距離；聚焦裝置：有源微管中出射的信號光被聚焦裝置收集并輸入到光譜分析裝置，聚焦裝置安裝在角度調(diào)節(jié)臺的半圓形軌道上；光譜分析裝置：用于分析聚焦裝置收集的信號光光譜，通過檢測光譜中諧振峰的漂移量，實(shí)現(xiàn)對待測樣品濃度的檢測。...

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：江俊峰，劉鐵根，劉琨，于哲，姬強(qiáng)，陳文杰，劉文輝，張晶，張以謨，
申請(專利權(quán))人：天津大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：