光學(xué)傳感器系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及利用表面等離子體共振的光學(xué)傳感器系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 利用表面等離子體共振（入射光與金屬微粒內(nèi)的電子的振動的共振）檢測金屬膜 表面的折射率的表面等離子體傳感器，由于靈敏度高且不需要標(biāo)記，因此主要被用于生物 領(lǐng)域的研究。
[0003] 使用該傳感器的通常的傳感方法中，通過借助棱鏡使光會聚而入射到設(shè)置于棱鏡 的1面的金屬膜并檢測其反射光，從而根據(jù)光被吸收的入射角來分析金屬膜表面的折射 率。此外，通常通過預(yù)先在金屬膜設(shè)置吸附特定的分子的吸附層，根據(jù)折射率來換算分子的 濃度。
[0004] 然而，為了實(shí)施該傳感方法，需要由光源、透鏡、棱鏡等構(gòu)成的復(fù)雜的裝置。因而， 由于需要保證安裝裝置時(shí)的精度、進(jìn)行使裝置不發(fā)生經(jīng)時(shí)變化這樣的嚴(yán)格的溫度管理、對 傳感的結(jié)果中產(chǎn)生的偏差進(jìn)行校正等，所以耗費(fèi)成本且裝置大型化。此外，在上述裝置中， 難以進(jìn)行分子水平的高精度的檢測。
[0005] 對此，為了小型化且進(jìn)行靈敏度高的檢測，提出了使用共振器的方法。
[0006] 例如，在專利文獻(xiàn)1中公開了一種傳感器，其在平面狀的波導(dǎo)的一部分組裝微小 共振器，檢測該微小共振器表面的折射率變化所帶來的光譜響應(yīng)的變化。該微小共振器是 用于表面等離子體波的共振器，具有薄的金屬層，使用反射部分為周期結(jié)構(gòu)的分布式布拉 格反射器（DBR 〖Distributed Bragg Reflector) 〇
[0007] 此外，專利文獻(xiàn)2中公開了一種局域表面等離子體傳感器，其在光纖的端面形成 有激發(fā)局域表面等離子體共振的尺寸的金屬微粒層，在該金屬微粒層的表面形成有與檢測 對象分子互補(bǔ)的分子的分子層。該局域表面等離子體傳感器利用從光纖的端面反射或散射 后的光的變化，檢測吸附或結(jié)合于上述互補(bǔ)的分子上的檢測對象分子。
[0008] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0009] 專利文獻(xiàn)
[0010] 專利文獻(xiàn)1 :日本公表專利公報(bào)"特表2007-537439號（2007年12月20日公表）"
[0011] 專利文獻(xiàn)2 :日本專利公報(bào)"專利04224641號（2009年2月18日發(fā)行）"
[0012] 非專利文獻(xiàn)
[0013] 非專利文獻(xiàn) I 〖Cleveland Eugene Rayford II，George Schatz and Kevin Shuford，"Optical Properties of Gold Nanospheres'，，Nanoscape Volume. 2, Issue 1， p. p.27-33 (2005 年春發(fā)行）
[0014] 非專利文獻(xiàn) 2 :Ε· Stefan Kooi j and Bene Poelsema，"Shape and size effects in the optical properties of metallic nanorods'，，Physical Chemistry Chemical Physics，2006,8, p. p. 3349-3357 (2006 年 3 月 10 日發(fā)行）
[0015] 非專利文獻(xiàn) 3 :M. Li，Z.S. Zhang，X. Zhang，K.Y. Li and X.F. Yu/'Optical properties of Au/Ag core/shell nanoshuttles'，，Optics Express Vol. 16，No. 18， p. p. 14288-14293 (2008 年 8 月 28 日發(fā)行）

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 發(fā)明要解決的技術(shù)問題
[0017] 可是，在專利文獻(xiàn)1中公開的傳感器中，由于使光源的光轉(zhuǎn)換為表面等離子體，使 微小共振器在共振的狀態(tài)下與檢測對象反應(yīng)，再次從表面等離子體轉(zhuǎn)換為光來進(jìn)行檢測， 因此從光向表面等離子體的轉(zhuǎn)換中產(chǎn)生光強(qiáng)度的損失。此外，由于利用2~10微米長的共 振器，作為衰減波的表面等離子體波在共振器內(nèi)部損失，不能期望靈敏度提高。此外，由于 需要另外設(shè)置光源，與此相應(yīng)地小型化存在界限。
[0018] 專利文獻(xiàn)2公開的傳感器中，由于沒有使用共振器，因此靈敏度低。此外，在該傳 感器中，使光源的光與光纖結(jié)合時(shí)，產(chǎn)生光強(qiáng)度的損失。
[0019] 本發(fā)明是鑒于上述技術(shù)問題而完成的，其目的在于提供能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏度化和小 型化的光學(xué)傳感器系統(tǒng)。
[0020] 解決技術(shù)問題的手段
[0021] 為了解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明的一個(gè)方式的光學(xué)傳感器系統(tǒng)的特征在于：上 述光學(xué)傳感器系統(tǒng)包括光學(xué)傳感器頭和計(jì)算部，上述光學(xué)傳感器頭具有：發(fā)光器件，其具有 第一反射面、與上述第一反射面相對的第二反射面和設(shè)置在上述第一反射面與上述第二反 射面之間的波導(dǎo)；和檢測從上述發(fā)光器件出射的光的檢測器，該光學(xué)傳感器頭在上述第一 反射面上形成有至少一個(gè)激發(fā)表面等離子體的金屬微粒，上述計(jì)算部根據(jù)上述檢測器的檢 測值計(jì)算上述第一反射面的環(huán)境參數(shù)。
[0022] 發(fā)明效果
[0023] 在本發(fā)明的一個(gè)方式中，由第一反射面、第二反射面和波導(dǎo)構(gòu)成共振器。通過使第 一反射面的環(huán)境參數(shù)變化，由金屬微粒激發(fā)的表面等離子體的激發(fā)波長變化，從而第一反 射面的反射率變化。該變化使發(fā)光器件的振蕩條件變化，因此從發(fā)光器件出射的光的強(qiáng)度 也變化。因此，根據(jù)由上述檢測器檢測的從上述發(fā)光器件出射的光的強(qiáng)度，以及由此換算出 的與振蕩條件相關(guān)的參數(shù)，能夠檢測第一反射面4的環(huán)境參數(shù)。
[0024] 另外，所謂環(huán)境參數(shù)是指，對第一反射面的光學(xué)特性引起變化（金屬微粒的周邊 或金屬微粒自身的折射率的變化、第一反射面的反射率的變化）的主要因素的指標(biāo)。
[0025] 此外，檢測由振蕩條件變化引起的強(qiáng)度變化，因此，與檢測僅由表面等離子體的激 發(fā)波長變化引起的強(qiáng)度變化相比，能夠提高靈敏度。
[0026] 而且，在上述發(fā)光器件的上述第一反射面上形成有至少一個(gè)能夠激發(fā)表面等離子 體的金屬微粒，因此能夠?qū)⒐鈱W(xué)傳感器頭構(gòu)成為大致發(fā)光器件的尺寸，能夠大幅地小型化。
【附圖說明】
[0027] 圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1的光學(xué)傳感器系統(tǒng)中的光學(xué)傳感器頭的結(jié)構(gòu)例的 立體圖。
[0028] 圖2中，（a)是表示上述光學(xué)傳感器頭的金屬微粒的配置的剖面圖，（b)是表示上 述光學(xué)傳感器頭的介于保護(hù)層中的金屬微粒的配置的剖面圖。
[0029] 圖3中，（a)是表示上述光學(xué)傳感器頭的表面等離子體激發(fā)波長與來自金屬微粒 的光的透射率之間的關(guān)系的圖，（b)是表示上述光學(xué)傳感器頭的表面等離子體激發(fā)波長與 來自金屬微粒的光的反射率之間的關(guān)系的圖。
[0030] 圖4是本發(fā)明的實(shí)施方式1的變形例的上述光學(xué)傳感器頭的立體圖。
[0031] 圖5是上述變形例的上述光學(xué)傳感器頭的側(cè)面圖。
[0032] 圖6是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1的光學(xué)傳感器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)例的立體圖。
[0033] 圖7中，（a)是表示上述光學(xué)傳感器系統(tǒng)的光學(xué)傳感器頭的使第一反射面的反射 率和第二反射面的反射率變化時(shí)的從第二反射面放射的光的微分效率的圖，（b)是表示上 述光學(xué)傳感器系統(tǒng)的上述光學(xué)傳感器頭的使第一反射面的反射率和第二反射面的反射率 變化時(shí)的閾值電流的變化的圖。
[0034] 圖8是表示上述光學(xué)傳感器系統(tǒng)的發(fā)光器件以單模進(jìn)行振蕩時(shí)的該發(fā)光器件的 發(fā)光光譜與表面等離子體激發(fā)波段之間的關(guān)系的圖。
[0035] 圖9是表示上述光學(xué)傳感器系統(tǒng)的發(fā)光器件以多模進(jìn)行振蕩時(shí)的該發(fā)光器件的 發(fā)光光譜與表面等離子體激發(fā)波段之間的關(guān)系的圖。
[0036] 圖10是表示上述光學(xué)傳感器系統(tǒng)的發(fā)光器件的發(fā)光光譜與表面等離子體激發(fā)波 段的另一關(guān)系的圖。
[0037] 圖11是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1的光學(xué)傳感器系統(tǒng)的另一結(jié)構(gòu)例的立體圖。
[0038] 圖12是表示本發(fā)明的實(shí)施方式2的光學(xué)傳感器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)例的圖。
[0039] 圖13是表示本發(fā)明的實(shí)施方式3的光學(xué)傳感器系統(tǒng)的另一結(jié)構(gòu)例的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040] 〔實(shí)施方式1〕
[0041] 參照圖1~圖4對本發(fā)明的實(shí)施方式1的光學(xué)傳感器系統(tǒng)中的光學(xué)傳感器頭1進(jìn) 行說明如下。
[0042] [光學(xué)傳感器頭的結(jié)構(gòu)]
[0043] 圖1是表示本實(shí)施方式的光學(xué)傳感器系統(tǒng)中的光學(xué)傳感器頭1的結(jié)構(gòu)例的立體 圖。
[0044] 如圖1所示，光學(xué)傳感器頭1包括發(fā)光器件2、金屬微粒7和檢測器3。雖然省略 圖示，但它們被封裝而形成為一體。發(fā)光器件2呈長方體的形狀，具有第一反射面4、與第 一反射面4相對的第二反射面5和設(shè)置在第一反射面4與第二反射面5之間的波導(dǎo)6。此 外，第一反射面4上形成有金屬微粒7。
[0045] 發(fā)光器件2構(gòu)成為，在波導(dǎo)6的兩端設(shè)置有第一反射面4和第二反射面5,光在第 一反射面4與第二反射面5之間在波導(dǎo)6內(nèi)沿著z方向和與z方向相反的方向往返。由于 波導(dǎo)6具有增益，在波導(dǎo)6中往返的光因增益而被放大，一部分的光從第一反射面4和第二 反射面5放射到外部。像這樣，發(fā)光器件2由于具有第一反射面4、第二反射面5和波導(dǎo)6 而構(gòu)成共振器。
[0046] 作為發(fā)光器件2,具體而言只要使用市場上銷售的激光元件即可，特別地，為了小 型化，優(yōu)選半導(dǎo)體激光器元件。此外，為了提高靈敏度，可以使用分布反饋型激光元件。此 外，通過使用半導(dǎo)體激光器元件，如后所述，根據(jù)由檢測器3檢測到的通過第一反射面4和 第二反射面5中的至少一個(gè)反射面而被放射到外部的光的強(qiáng)度，計(jì)算第一反射面4的環(huán)境 參數(shù)變得容易。
[0047] 另外，后面將對環(huán)境參數(shù)詳細(xì)進(jìn)行說明。
[0048] 作為發(fā)光器件2使用激光器時(shí)，單模振蕩和多模振蕩均可。通常，多模振蕩與單模 振蕩相比強(qiáng)度強(qiáng)，單模振蕩與多模振蕩相比發(fā)光器件2的振蕩光譜窄。因此，通過使用單模 振蕩，表面等離子體激發(fā)波段的檢測分辨率變高，檢測靈敏度變高。
[0049] 如果是市場上銷售的激光器元件（半導(dǎo)體激光器等），則已經(jīng)設(shè)置有第一反射面 4、第二反射面5和波導(dǎo)6。但是，也可以在第一反射面4和第二反射面5上還制作其他膜， 從而調(diào)整反射率。
[0050] 檢測器3可以是市場上銷售的光檢測器，也可以是分光儀。市場上銷售的光檢測 器雖然僅能夠檢測光強(qiáng)度，但小型且低成本。分光儀雖然不能如光檢測器那般小型，但能夠 檢測反射光譜，因此不僅能夠得到光強(qiáng)度的信息，也能夠得到波長移位的信息。它們的檢測 面可以稍微傾斜，使得檢測的光反射而不返回光源。
[0051] 此外，只要是能夠檢測從發(fā)光器件2出射的光、即從發(fā)光器件2的第一反射面4或 第二反