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基于半导体纳米线激光器的折射率感测

时间:2021-07-10 00:17
本文摘要:激光网消息:大部分工程师都很熟悉必须测量的基本物理参数,比如温度、压力、方位、速度、距离等。但是还有其他一些关键参数也非常重要。 一个例子是光折射率(RI)的测量,这也是许多液体加工技术的一部分,例如啤酒酿造、葡萄酒烘焙、蜂蜜中水分含量的评估和碳氢化合物净化。甚至在医学上,因为癌细胞或异常细胞的RI值低于长期细胞。问题是,即使是像硬币一样大的小型化RI传感器也比许多应用要大。这正是密歇根大学团队希望通过激光剥离光源诱发的纳米线来转化的难题。

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激光网消息:大部分工程师都很熟悉必须测量的基本物理参数,比如温度、压力、方位、速度、距离等。但是还有其他一些关键参数也非常重要。

一个例子是光折射率(RI)的测量,这也是许多液体加工技术的一部分,例如啤酒酿造、葡萄酒烘焙、蜂蜜中水分含量的评估和碳氢化合物净化。甚至在医学上,因为癌细胞或异常细胞的RI值低于长期细胞。问题是,即使是像硬币一样大的小型化RI传感器也比许多应用要大。这正是密歇根大学团队希望通过激光剥离光源诱发的纳米线来转化的难题。

在题为“基于半导体纳米线激光的折射率传感”的论文中,详细描述了该团队开展的研究。在本研究中,直径为204纳米、长度为15m的硫化镉(CdS)线被作为光学腔的核心设计(图1)。

由于纳米线的高折射率,入射光在端面具有低反射系数,这是由纳米线的展开导致的。这种布置构成了法布里-珀罗腔,当它被外部光源激发时,就不会构成激光器。如此构造的激光波长彼此不同,并且它们周围的折射率也不同。

通过测量激光输入的波长,可以确定浸泡有纳米线的液体的折射率。该生产工艺用于类似半导体的工艺,其中硫化镉(CdS)纳米线(折射率n=2.67)生长在用于化学气相传输的硅晶片衬底上。

之后,纳米线被沉积在硅玻璃罩上,然后暴露在高压等离子体中。这种等离子体处理是为了保证纳米线在玻璃表面是相同的,因此可以作为液体环境下的实验。实验中,纳米线浸泡在乙醇与甲苯体积比为10: 0、9: 1、8: 2和7: 3的混合溶液中,折射率分别为1.365、1.39、1.339和1.407。

纳米线由脉冲光学参量振荡器(5纳秒脉冲宽度,20 Hz重复频率,479纳米波长)激发。然后,用一个焦距为60m的50物镜探测泵浦光束。图2显示了每个折射率的减去的激光光谱,所有这些都用于完全相同的4J/mm2的唤醒能量密度。

测试结果还表明,波长效应在一定程度上是非常脆弱的。例如,当折射率从1.365降低到1.407时,通常会出现从504.35纳米到505.23纳米的明显可测量的白背偏移。

基于激光峰值的0.22纳米线宽和其他因素的进一步数据分析表明,设计的整体质量因子(FOM)为96。该半导体纳米线传感器不仅比最近发表的共振衍射法高24倍,而且生产复杂度较低。可以内化为活细胞,感知各个部位的折射率。


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