超灵敏的低折射率对比倾斜波导，用于双模干涉式折射率测量

采用飞秒激光微加工技术设计了一种低折射率对比双模干涉仪传感器，结合低成本摄像头光学读取系统，实现了钠氯溶液的高灵敏度折射率检测，灵敏度分别达到32251π rad/RIU和24204π rad/RIU。

　　

Prajal Chettri | R. Sumukh Nandan | Krishna Chaitanya Vishnubhatla | Shailesh Srivastava

FEMTO FabULLAS，CRIF，物理系，Sri Sathya Sai高等研究院，Prasanthi Nilayam，安得拉邦 515134，印度

摘要

本文提出了一种基于斜向波导的新型双模干涉传感器设计，该波导在低折射率对比度环境下工作。该传感器采用飞秒激光微加工技术制造斜向波导，具有双模输出特性，波导精确地刻蚀在熔融石英表面上的优化位置。研究了两种新的波导结构：一种形成单一顶点（倒“V”形），另一种形成梯形平台。作为概念验证，使用成本效益高的网络摄像头光学读出系统对氯化钠溶液的折射率进行了测量。通过采用基于图像处理的感兴趣区域（ROI）优化方法，我们实现了$$的检测限，并分别获得了倒“V”形和梯形平台结构的最大灵敏度为32,251 π rad/RIU和24,204 π rad/RIU。

引言

光流控技术将光与流体在微观尺度上结合，用于制造具有新颖功能的设备，这些设备可在高度可控的系统中运行[1]。这种跨学科方法能够利用光精确控制和分析少量流体和颗粒，使得光流控设备在生物分析[2]、化学传感[4]和芯片实验室系统[5]中特别有价值。应用领域包括单细胞研究[6]、DNA测序[7]、环境监测[8]、便携式诊断工具[9]等。尽管光流控设备的制造过程复杂且需要多学科知识，但这种方法提高了设备的灵敏度、分辨率和多功能性。

近年来，光流控设备制造技术的进步（如飞秒激光微加工[10]、光刻[11]、3D打印[12]等）不断推动着该领域的发展，为科学研究和技术创新开辟了新的可能性。飞秒激光微加工（FLM）是一种多功能微制造技术，它利用超短且聚焦精确的激光脉冲在焦点区域内选择性地引发非线性吸收过程[13]。FLM相对于其他制造技术的优势之一在于，它可以通过精确移动玻璃基底来诱导折射率的局部变化[15]；对于光流控应用而言，另一个重要特点是经过纳米结构化的区域对湿化学蚀刻（例如氢氟酸或氢氧化钾溶液）具有更高的选择性[16]，[17]，这种选择性蚀刻能够将受辐照区域与未辐照区域区分开来，从而有效形成光流控设备所需的腔体或微流控网络[18]。

在众多传感技术中，双模干涉（BiMI）传感器是一种依赖于光波导两种模式（LP₀₁模式（基模）和LP₁₁模式（一阶模式）在相同光路径上传播时产生的干涉效应的传感器[19]。当波导或光纤周围的介质折射率发生变化时，这两种模式的有效模指数会受到影响，从而导致相位移动，进而调制干涉强度。通过监测两种模式重叠区域的强度，可以准确测量折射率的变化。

过去十年中，已经开发出多种用于折射率测量的双模波导（BiMW）干涉传感器，包括集成式垂直BiMW[20]、螺旋形BiMW[21]、基于光子晶体波导的BiMI传感器[22]、穿孔BiMW[23]等。此外，BiMI传感器具有高灵敏度、紧凑性和与集成光学平台的兼容性等优点，非常适合传感应用[24]。然而，这些传感器 bisher 仅在高折射率对比度环境下实现，因为在这种环境下衰减场的穿透深度相对有限。相比之下，FLM技术能够直接在熔融石英中制造双模波导，并同时实现其与微流控通道的集成。目前，这一潜力尚未被用于BiMW传感器的开发。因此，本研究的目的是利用FLM技术制造出具有低折射率对比度双模波导的BiMW传感器，使其衰减场能够更深入周围介质，从而提高灵敏度。

在本研究中，我们展示了基于FLM技术制造的新型斜向波导配置的低折射率对比度双模干涉传感器，实现了无标记传感。该集成光流控芯片包含两种具有双模输出的双斜向波导结构。单模光纤与熔融石英芯片中的波导通过轻微偏移进行对接耦合，有效激发LP₀₁和LP₁₁模式。我们采用了一种基于图像处理的创新方法来确定具有最高灵敏度的区域，并实验验证了该传感器对氯化钠溶液折射率变化的高灵敏度测量能力。我们认为这是迈向使用低折射率对比度FLM制造芯片级生物医学双模传感器的第一步。

芯片设计

单模光纤（导入光纤）与斜向双模波导耦合，两个波导的核心部分略有偏移。设计分为两个区域：a) 单模区域（SMR）和 b) 双模区域（BMR）。在这种设计中，我们使用了两种不同配置的斜向波导。波导从40 μm深度开始，倾斜角度为0.22度，长度为1厘米，形成如图1(a)所示的顶点。

结果与讨论

商用激光系统输出的聚焦飞秒激光脉冲可达到约10 TW/cm²的峰值强度[27]。这种高强度激光会引发强烈的非线性吸收过程，使能量在玻璃材料内部局部沉积。在几皮秒内，激光激发的电子将能量传递给晶格，导致材料的永久性改变[28]。

局限性与未来展望

设备的整体灵敏度受到光电探测器噪声水平以及输入波导的总光功率的限制。然而，所提出传感器的固有灵敏度很大程度上取决于单模光纤相对于双模波导的横向偏移量。如前所述，正确的输入偏移量对于激发两种模式具有相同的振幅至关重要。即使偏移量仅为500纳米，也会显著影响传感性能。

结论

首次在低折射率对比度环境下，基于斜向波导配置的熔融石英玻璃基集成光流控双模干涉传感器实现了折射率测量。采用飞秒激光微加工技术制造了斜向波导，并通过高效激发两种模式后的低成本网络摄像头成像技术进一步优化了灵敏度。

CRediT作者贡献声明

Sumukh Nandan R.：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、数据分析、正式分析、数据管理。Shailesh Srivastava：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、软件开发、资源协调、方法论设计、数据分析、概念构建。Krishna Chaitanya Vishnubhatla：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、方法论设计、资金申请、概念构思。Prajal Chettri：撰写 –

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢Bhagawan Sri Sathya Sai Baba创始人提供的所有研究设施、持续的支持和激励。同时感谢Sri Sathya Sai中央信托基金和DST-FIST（批准编号SR/FST/PSI-172/2012）在中央研究仪器设施（CRIF）中提供的FEMTO FabULLAS设备。作者还感谢DST-Technology Development计划（DST-TDP-BDTD/15/2018）的支持。