維也納研發(fā)微型傳感器 可檢測液體化學(xué)成分維也納技術(shù)大學(xué)的研究人員利用微型激光技術(shù)，研發(fā)出可以檢測液體化學(xué)成分的微型傳感器。

　　雖然紅外光不可見，但不同的分子對紅外波段激光的吸收效應(yīng)不同, 這正好適用于對液體和氣體的檢測。這一特性可以用于檢測例如血氧濃度等。維也納技術(shù)大學(xué)的研究人員利用這種技術(shù)研發(fā)出了新的微型傳感器。

　　特制的量子級聯(lián)激光器（quantum cascadelasers，QCLs）和匹配的光探測器是同步制造出來的。激光器和探測器只間隔了50微米，二者通過由金和氮化硅構(gòu)成的等離子體波導(dǎo)來連通。這種新方法使得未來研制更多功能的微型傳感器變得簡單而廉價。

　　該傳感器芯片由激光器、表面等離子體波導(dǎo)（SPP waveguide）和探測器組成，并集成在同一片襯底上。上面的插圖顯示了芯片截面的結(jié)構(gòu)，左下角為掃描電子顯微鏡（SEM）拍攝的芯片封裝的圖像。

　　普通固體激光器和探測器，如常見的紅寶石激光器，只包含單一的能級結(jié)構(gòu)。而量子級聯(lián)激光器是基于量子阱多級串聯(lián)的輻射機(jī)制。因而，它具有得天獨厚的特性，例如可以改變激光的波長。當(dāng)對輻射能級施加一定電壓，激光器發(fā)生受激輻射。與此同時，量子級聯(lián)激光器的輻射結(jié)構(gòu)還能實現(xiàn)反向的過程，即光輻射同樣可以產(chǎn)生電信號。

　　目前，研究人員已經(jīng)掌握同時制造激光器和探測器的方法，能夠使二者耦合在同一片芯片上，如此一來，激光的波長便能與探測器感應(yīng)的波段完美匹配。這種雙功能的設(shè)備是由維也納技術(shù)大學(xué)微納結(jié)構(gòu)中心（center for micro- and nanostructures）的工作人員基于原子層級開發(fā)出來的�！耙驗槊恳徊糠侄际峭�步制造出來的，所以激光器和探測器不再需要調(diào)試，二者發(fā)送和接收的光譜已經(jīng)完全一致。”Benedikt Schwarz說。

　　波導(dǎo)：將光導(dǎo)入探測器

　　該傳感器芯片由激光器、表面等離子體波導(dǎo)（SPP waveguide）和探測器組成，并集成在同一片襯底上。上面的插圖顯示了芯片截面的結(jié)構(gòu)，左下角為掃描電子顯微鏡（SEM）拍攝的芯片封裝的圖像。（圖片來源：Nature Communications, 2014; 5 DOI: 10.1038/ncomms5085）

　　在傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)中，激光需要經(jīng)過精密的透鏡光路進(jìn)入探測器，或利用光纖傳導(dǎo)，但這樣往往將激光中全部波段的光都傳輸了過去，而無法根據(jù)系統(tǒng)所需進(jìn)行濾波，這樣注入的激光無法直接用于探測。

　　維也納技術(shù)大學(xué)在量子級聯(lián)激光器和探測器之間的光學(xué)傳導(dǎo)上使用了完全不同的方法。他們利用了由金和氮化硅構(gòu)成的等離子體波導(dǎo)�！凹す馔�金屬中的電子以一種獨特的方式相互作用，最終光被導(dǎo)出金層。”Benedikt Schwarz說，“這就是為什么光會在激光器和探測器之間的傳導(dǎo)過程中被分子吸收。”

　　該傳感器芯片可以浸沒于液體中。通過測量由于被分子吸收造成的探測光光強(qiáng)的衰減，就可以檢測出液體的化學(xué)成分。研究人員用兌了水的酒精對傳感器進(jìn)行了測試，結(jié)果顯示，這種新型傳感器的水濃度測量精度可達(dá)0.06%。

　　由此我們知道，通過改變能級結(jié)構(gòu)可以影響激光波長，這一技術(shù)理念可以適用于多種多樣的分子結(jié)構(gòu)，例如碳水化學(xué)物或蛋白質(zhì)，并且在化學(xué)、生物和醫(yī)學(xué)分析領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景 。

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