一种光栅结构的铌酸锂-金-铌酸锂表面等离子激元温度传感装置

摘要

本发明公开了一种光栅结构的铌酸锂-金-铌酸锂表面等离子激元温度传感装置，其特征是，包括顺序叠接的底层玻璃层、第一铌酸锂层、金层和第二铌酸锂层，第一铌酸锂层、金层和第二铌酸锂层形成铌酸锂-金-铌酸锂介质波导结构；所述的铌酸锂-金-铌酸锂为对称的铌酸锂介质波导结构；所述铌酸锂介质波导结构的中间层金层为周期光栅结构。这种等离子激元温度传感装置将亚波长尺度的表面等离子技术应用在温度传感领域提高了器件的适应性和灵敏度，弥补了微机电系统应用中温度传感器精度低、稳定性差、反应时间长的缺陷，特别是具有的纳米级尺寸可以为光电集成的发展提供关键器件。

说明书

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体是一种光栅结构的铌酸锂-金-铌酸锂表面等离子激元 温度传感装置。

背景技术

表面等离子技术可以实现亚波长尺度的放大、检测光信息，这就为实现光子回路、光电 集成回路提供了可能。当前已经产生了以表面等离子技术研究为核心内容的亚波长光学这一 学科，科学家们对此进行了广泛的研究，提出了各种的器件与机理。尤其以荷兰FOM研究所 的Albert Polman课题组，对表面等离子技术在光传输、信息通讯、集成光子学等领域应用 提出了广泛的预测。无论是传统光波导还是光子晶体器件，由于受到光的衍射极限的限制， 单个元件尺寸始终局限在几倍甚至是几十波的光波长量级，显然无法实现超大规模的集成。 而表面等离子技术却能轻易的突破衍射极限，这为实现纳米量级尺度下约束和操纵光能量提 供可依据。目前表面等离子技术传感装置大都集中在生物传感、气体传感等领域。

而《光学学报》在2014年34卷第5期0206005页上登载了“基于侧边抛磨光纤表面等 离子体共振的折射率和温度传感研究”一文，暨南大学的罗云瀚课题组通过磁控溅射法溅射 金膜制成侧边抛磨光纤表面等离子体共振传感器，对传感器的温度特性完成了研究，然而目 前还未看到利用表面等离子技术实现温度传感的应用。从当前发展来看，微光机电系统中对 各类传感装置的要求越来越高，这就使得利用特殊技术或材料制作复杂环境应用的高灵敏度、 超速传感装置成为了首要目标。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种光栅结构的铌酸锂-金-铌酸锂表面等离 子激元温度传感装置。这种装置能够弥补微机电系统应用中温度传感器在低温或高温特殊环 境条件下精度低、灵敏度小、稳定性差、反应时间长的缺陷，且结构简单、易于实现。

实现本发明目的的技术方案是：

一种光栅结构的铌酸锂-金-铌酸锂表面等离子激元温度传感装置，包括顺序叠接的底层 玻璃层、第一铌酸锂层、金层和第二铌酸锂层，第一铌酸锂层、金层和第二铌酸锂层形成铌 酸锂-金-铌酸锂介质波导结构。

所述的铌酸锂-金-铌酸锂为对称的铌酸锂介质波导结构，可以增强表面等离子模式耦合 效果，增加表面等离子的传播距离。

所述铌酸锂介质波导结构的中间层金层为周期光栅结构，不仅可以增强表面等离子激发 效果，还能增强光子局域化更方便的实现信号检测。

所述的铌酸锂-金-铌酸锂的介质波导结构，采用溶胶—凝胶工艺制备，这样的晶体铌酸 锂温度传感性能稳定、反可重复利用。

通过波长为632nm的He-Ne激光器出射的P偏振光以大于玻璃与铌酸锂晶体间的全反 射角角度入射到玻璃层，由于铌酸锂在环境温度的变化时会发生折射率变化，这样会改变波 导结构中表面等离子的耦合强度，使得出射光的光程差和位相差变化，通过光功率变化与温 度变化间的关系，利用光功率计测量出射光光功率确定温度变化量。

所述的光功率计通过以下关系得到温度传感量：其中 是测量前的光程差引起的位相差，ΔL为光程差，通过相位差计算得到，h为 比例常数，P₀为测量前的功率，P为变化后的功率。

这种等离子激元温度传感装置将亚波长尺度的表面等离子技术应用在温度传感领域提高 了器件的适应性和灵敏度，弥补了微机电系统应用中温度传感器精度低、稳定性差、反应时 间长的缺陷，特别是具有的纳米级尺寸可以为光电集成的发展提供关键器件。

附图说明

图1为实施例的结构示意图。

图中1.玻璃层 2.第一铌酸锂层 3.金层 4.第二铌酸锂层 5.偏振光 6.出射光。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步阐述，但不是对本发明限定。

实施例：

参照图1，一种光栅结构的铌酸锂-金-铌酸锂表面等离子激元温度传感装置，包括顺序 叠接的底层玻璃层1、第一铌酸锂层2、金层3和第二铌酸锂层4，第一铌酸锂层2、金层3 和第二铌酸锂层4形成铌酸锂-金-铌酸锂介质波导结构。

所述的铌酸锂-金-铌酸锂为对称的铌酸锂介质波导结构，可以增强表面等离子模式耦合 效果，增加表面等离子的传播距离。

所述铌酸锂介质波导结构的中间层金层3为周期光栅结构，不仅可以增强表面等离子激 发效果，还能增强光子局域化更方便的实现信号检测。

所述的铌酸锂-金-铌酸锂的介质波导结构，采用溶胶—凝胶工艺制备，这样的晶体铌酸 锂温度传感性能稳定、反可重复利用。

通过波长为632nm的He-Ne激光器出射的P偏振光5以大于玻璃层与铌酸锂层晶体间 的全反射角角度入射到玻璃层1，由于铌酸锂在环境温度的变化时会发生折射率变化，这样 会改变波导结构中表面等离子的耦合强度，使得出射光6的光程差和位相差变化，通过光功 率变化与温度变化间的关系，利用光功率计测量出射光6光功率确定温度变化量。

所述的光功率计通过以下关系得到温度传感量：其中 是测量前的光程差引起的位相差，ΔL为光程差，通过相位差计算得到，h为 比例常数，P₀为测量前的功率，P为变化后的功率。

所述的He-Ne激光器，输出波长为632nm，该激光器具有很高的稳定性与方向性，且光 束集中是传感器光源的理想选择。

具体地，本装置各层的长、宽相同分别为1200nm、900nm。各层厚度如下：玻璃层1厚 度为200nm，对称的铌酸锂层厚度为300nm，金层3厚度为150nm，周期为80nm。