基于半导体纳米线激光器的折射率感测

2017-08-12 11:25

OFweek 激光网讯：大多数工程师都熟悉需要测量的基本物理参数，如温度、压力、位置、速度和距离等。但还有其他关键参数也是非常重要的。其中的一个例子就是光折射率（RI）的测量，这也是许多液体加工工艺的一部分，如啤酒酿造、葡萄酒发酵、蜂蜜中含水量的评估以及烃蒸馏等。甚至在医学上也有用途，因为癌细胞或异常细胞的RI值比正常细胞略高。

问题在于，即使是如硬币般大小的小型化RI传感器也比许多应用大。这也正是密西根大学团队希望通过使用由光源激发的纳米线的激光发射来改变的难题。该团队在题为“基于半导体纳米线激光器的折射率感测”的论文中，详细描述了团队进行的研究。

在该研究中，将直径为204nm、长度为15μm的硫化镉（CdS）线作为光学腔的核心设计（图1）。纳米线的高折射率使入射光在端面具有高反射率因子，并通过纳米线进行引导。这种设置形成了法布里-伯罗空腔，当它被外部光源激发时，也会形成激光作用。这样形成的激光波长取决于其周围的折射率。通过测量激光输出的波长，可以确定浸入纳米线的液体的折射率。

制造过程使用了类似半导体的工艺，其中硫化镉（CdS）纳米线（折射率n = 2.67）生长在使用了化学气相传输法的硅晶片衬底上。之后将纳米线直接沉积在硅玻璃罩上，然后将其暴露于低压等离子体中。这种等离子体处理是用来确保将纳米线固定在玻璃表面，从而用于液体环境中的实验。

在试验中，将纳米线浸入乙醇和甲苯的体积比为10：0、9：1、8：2和7：3的混合溶液中，相当于折射率分别为1.365、1.39、1.339和1.407。通过脉冲光学参量振荡器（5纳秒脉冲宽度，20赫兹重复频率，479纳米波长）对该纳米线进行激发。然后使用焦点尺寸为60μm的50×物镜对泵浦光束进行聚焦。图2显示了每个折射率的所得激光光谱，全部使用了4μJ/ mm 2的相同激发能量密度。

测试结果也表明波长效应同样非常敏感。例如，当折射率从1.365增加到1.407时，出现了从504.35nm到505.23nm的明显可测量的红移现象。

基于激光峰值的0.22nm线宽和其他因素对数据的进一步分析显示，该设计的总体品质因数（FOM）为96。

该半导体纳米线传感器不仅是最近公布的使用谐振散射方法实现结果的24倍提升，而且其制造复杂度较低。它可以内化到活细胞中，并感测各部分的折射率。（文/Oscar译）