基於半導體納米線雷射器的折射率感測

2020-12-05 OFweek維科網

OFweek 雷射網訊：大多數工程師都熟悉需要測量的基本物理參數，如溫度、壓力、位置、速度和距離等。但還有其他關鍵參數也是非常重要的。其中的一個例子就是光折射率（RI）的測量，這也是許多液體加工工藝的一部分，如啤酒釀造、葡萄酒發酵、蜂蜜中含水量的評估以及烴蒸餾等。甚至在醫學上也有用途，因為癌細胞或異常細胞的RI值比正常細胞略高。

問題在於，即使是如硬幣般大小的小型化RI傳感器也比許多應用大。這也正是密西根大學團隊希望通過使用由光源激發的納米線的雷射發射來改變的難題。該團隊在題為「基於半導體納米線雷射器的折射率感測」的論文中，詳細描述了團隊進行的研究。

在該研究中，將直徑為204nm、長度為15μm的硫化鎘（CdS）線作為光學腔的核心設計（圖1）。納米線的高折射率使入射光在端面具有高反射率因子，並通過納米線進行引導。這種設置形成了法布裡-伯羅空腔，當它被外部光源激發時，也會形成雷射作用。這樣形成的雷射波長取決於其周圍的折射率。通過測量雷射輸出的波長，可以確定浸入納米線的液體的折射率。

製造過程使用了類似半導體的工藝，其中硫化鎘（CdS）納米線（折射率n = 2.67）生長在使用了化學氣相傳輸法的矽晶片襯底上。之後將納米線直接沉積在矽玻璃罩上，然後將其暴露於低壓等離子體中。這種等離子體處理是用來確保將納米線固定在玻璃表面，從而用於液體環境中的實驗。

在試驗中，將納米線浸入乙醇和甲苯的體積比為10：0、9：1、8：2和7：3的混合溶液中，相當於折射率分別為1.365、1.39、1.339和1.407。通過脈衝光學參量振蕩器（5納秒脈衝寬度，20赫茲重複頻率，479納米波長）對該納米線進行激發。然後使用焦點尺寸為60μm的50×物鏡對泵浦光束進行聚焦。圖2顯示了每個折射率的所得雷射光譜，全部使用了4μJ/ mm 2的相同激發能量密度。

測試結果也表明波長效應同樣非常敏感。例如，當折射率從1.365增加到1.407時，出現了從504.35nm到505.23nm的明顯可測量的紅移現象。

基於雷射峰值的0.22nm線寬和其他因素對數據的進一步分析顯示，該設計的總體品質因數（FOM）為96。

該半導體納米線傳感器不僅是最近公布的使用諧振散射方法實現結果的24倍提升，而且其製造複雜度較低。它可以內化到活細胞中，並感測各部分的折射率。（文/Oscar譯）


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