CN101477045A - 基于p偏振光的棱镜spr传感器检测系统 - Google Patents

Abstract

一种基于P偏振光的棱镜SPR传感器检测系统，属于棱镜SPR传感器系统技术领域。依次由光源(1)、多模光纤(2)、棱镜SPR传感器(4)、凸透镜(5)、通过多模光纤(6)接受上述凸透镜(5)传来光线的光谱仪(7)与上述光谱仪相连的计算机(9)组成，其特征在于：在上述光源(1)与棱镜SRP传感器(4)之间还设有分光带宽为400nm－1000nm的偏振分光棱镜(3)。该方法使光谱中共振波谷半波宽度减小，更利于波长调制方法中共振波长参数的分析和检测，也有利于改善棱镜分布式测量系统检测共振光谱中各个共振波谷的粘连现象。本发明有光路简单、共振波谷窄、检测精度高等特点。

Description

基于P偏振光的棱镜SPR传感器检测系统

技术领域

本发明涉及一种将偏振分光棱镜分光特性与棱镜SPR传感器检测术结合在一起的新型棱镜SPR传感器系统，它有效提高了该类传感器的检测精度，可应用于折射率、温度等各种参数的精确测量。

背景技术

偏振分光棱镜(PBS，Polarization Beam Splitter)最早由麦克纳尔(S.MaoNeille)提出，并首先由贝宁(M.Banning)实际制备。它的设计原理是寻找这样一个入射角，使之对于两种不同折射率的界面满足布儒斯特角，在这样的条件下，P偏振光的反射完全消失。这两种材料能够交替叠加构成多层膜堆，而对P偏振光不产生任何反射。对于实际的薄膜材料，这个条件只有当光线从一高折射率介质入射到多层膜上时才能实现。因此，通常将多层膜校核在玻璃棱镜中间，并通过选择材料种类使得两种材料在满足折射定律的同时对P偏振光的有效折射率相等。同时叠加出了有效厚度为四分之一波长的多层膜堆，以保持对S偏振光的高反射性。为了PBS的分光效果能适应于更宽的波长带宽，还能在两种材料之间增镀一层折射率适中的材料层，或者增加两种材料中任一种材料的厚度。目前，PBS由于其低廉的价格和良好的分光性能被广泛应用在各种光电仪器之中。最典型的应用就是在液晶电视的影像投影中，通过PBS得到了高偏振度的偏振光，改善了对比度性能。

SPR(Surface Plasmon Resonance，表面等离子体波共振)效应是由光波与金属电子相互作用而引起的一种光电子现象。表面等离子体波(SPW，SurfacePlasmon Wave)是沿着金属和电介质之间界面传播的电磁波形成的。当光入射到基体与金属交界面之上，并发生衰减全反射时，倏逝光波与SPW发生耦合。若沿界面的光波矢量分量与SPW的矢量分量相等，则发生SPR现象，入射光能量被大量吸收，致使反射光能量显著减少。此时入射光的入射角叫做共振角，入射光波长叫做共振波长。

由于SPR对金属表面电介质的折射率非常敏感，因此一系列基于SPR效应的传感器应运而生，其中棱镜SPR传感器发展最为成熟，应用最为广泛。该传感器主要采用基于Kretschmann结构的棱镜形式(见附图2)，此形式1968年由德国学者Kretschmann在“Radiative decayof non-radiative surface plasmons excited bylight”一文中首先提出。传感器组成为：等腰直角棱镜(10)的底面上涂镀一层金属膜(11)，金属膜外有样品池(12)来装载待测液体样本。

棱镜SPR传感器检测系统主要有角度调制、相位调制、强度调制和波长调制四种调制形式，四种方式都有着普遍的应用。1988年由Zhang等人组建了第一套基于波长调制方式的棱镜SPR传感器系统，检测了丙酮水溶液的折射率变化情况，该文章并发表在Electro.Lett期刊上。其检测系统组成为：白光光源(13)发射出来的光经由凸透镜(14)汇聚后照射在棱镜SPR传感器(15)上，出射光再经由凸透镜(16)耦合入多模光纤(17)，并传导到与多模光纤(17)相连的光谱仪(18)之内，光谱仪(18)通过数据线与计算机(19)相连。

上述检测系统组成形式能够实现一定程度上的折射率检测，但是由于所用的激发SPR效应的光源中同时存在有效部分P偏振光和无效部分S偏振光，所以使得共振光谱曲线波谷半波宽度过宽，谷底过于平坦。而所要检测的共振波长是对应于谷底最低点，即共振强度最小点的。这样，谷底过于平坦势必影响最小共振强度点的确定，从而影响了共振波长的检测，也严重影响了波长调制型棱镜SPR传感器的检测精度。

发明内容

本发明的主要目的在于克服传统基于波长调制的棱镜SPR传感器检测系统共振波谷半波宽度过宽的缺点，提供一种方便快捷且检测精度高的单P光分量棱镜SPR传感器检测系统的实现方法。同时针对光源带宽范围和分光比要求，采用了自行设计的棱镜材料和多层膜系，克服了常用偏振分光棱镜带宽不适合该棱镜SPR传感器检测系统的不足。

一种基于P偏振光的棱镜SPR传感器检测系统，依次由光源、多模光纤、棱镜SPR传感器、凸透镜、通过多模光纤接受上述凸透镜传来光线的光谱仪与上述光谱仪相连的计算机组成，其特征在于：在上述光源与棱镜SRP传感器之间还设有分光带宽为400nm-1000nm的偏振分光棱镜。

上述分光带宽为400nm-1000nm的偏振分光棱镜的具体组成是：两块直角等腰棱镜底面贴合，组成一个立方体，贴合面中间增镀介质膜系，该膜系由一种折射率较大的材料及一种折射率较小的材料交替镀制而成。

膜系叠放顺序依次为：按照λ/4膜堆的形式H/L交替叠放N层，H叠放1层。上述H代表大折射率材料，L代表小折射率材料。

上述直角等腰棱镜折射率为n_S，大折射率为n_H，小折射率为n_L，大折射率材料的厚度为d_H，小折射率材料的厚度为d_L。n_S、n_H和n_L可根据布儒斯特角条件和折射定律确定。d_H和d_L通过设计带宽的中心波长及展宽带宽要求确定。另外通过计算P偏振光和S偏振光透射率随膜系层数变化的值，取使得P偏振光透射率趋近于1，S偏振光透射率趋近于0时的N作为最终镀膜总层数。

λ/4膜堆：为实现宽带波长范围内的反射率要求，可以将一种折射率大的材料和一种折射率小的材料交替叠加，并使最外面两层材料都是折射率大的材料。每层膜的厚度为所要实现的带宽的中心波长的1/4。

中心波长：宽带光源发出的光束含有很多不同波长的光线，这些波长组成一个连续的波长范围，此波长范围内的中间值就是该宽带光源的中心波长。如光源为包含400nm～1000nm波长范围的宽带光源，那么它的中心波长就是(400+1000)/2nm＝700nm。

布儒斯特角条件：如果存在这样一个入射角度，使得入射到两种薄膜介质交界面上的光线中的P光分量的反射率为0，那么这个角度就叫做布儒斯特角。当该条件时，对于折射率分别为n_H和n_L的两种薄膜，可以得到公式：

tgθ_H＝n_L/n_H          (1)

上式中θ_H表示光线在折射率为n_H的薄膜中的折射角。

折射定律：当光线从一种介质入射到另一种介质中时，折射光线位于入射光线和界面法线所决定的平面内，折射光线和入射线分别在法线的两侧，入射角的正弦与折射角的正弦之比等于对应介质折射率的反比。对于折射率分别为n_S、n_H和n_L的三种介质，有关系：

n_Ssinθ_S＝n_H sinθ_H＝n_Lsinθ_L       (2)

θ_S、θ_H和θ_L分别表示在折射率为n_S、n_H和n_L的三种介质中光线与入射界面法线的夹角。

当光线从一种介质(折射率为n₁)入射到另一种介质(折射率为n₂)时，P偏振光和S偏振光的透射率分别表示为：

$T_P=1-{\left(\frac{n_1\cos {\mathrm{\θ}}_2-n_2\cos {\mathrm{\θ}}_1}{n_1\cos {\mathrm{\θ}}_2+n_2\cos {\mathrm{\θ}}_1}\right)}^2---\left(3\right)$

$T_S=1-{\left(\frac{n_1\cos {\mathrm{\θ}}_1-n_2\cos {\mathrm{\θ}}_2}{n_1\cos {\mathrm{\θ}}_1+n_2\cos {\mathrm{\θ}}_2}\right)}^2---\left(4\right)$

上两式中，θ₁和θ₂分别表示在折射率为n₁和n₂的两种介质中光线与入射界面法线的夹角。

上述基于P偏振光的棱镜SPR传感器检测系统，其主要特征在于：利用偏振分光棱镜对入射到其中间膜系上的S偏振光的高反射性和对P偏振光的高透射性，将两种光分量分开成90°角。确保入射到棱镜SPR传感器金属膜和待测液体交界面上的光只有能激发SPR效应的P偏振光，几乎不含不能激发SPR效应的S偏振光。从而大大滤除了检测共振光谱中由于存在S偏振光而产生的无效信息，显著缩减了共振波谷半波宽度，使得谷底趋于尖锐。

本发明中宽带偏振分光棱镜主要在光源与棱镜SPR传感器之间进行分光。由于只有平行于入射平面的光矢量，亦即P光分量才能激发SPR效应，所以在光入射到棱镜SPR传感器之前就用偏振分光棱镜最大限度的反射了光线中与入射平面垂直的S光分量，从而使得传感器光谱中共振波谷半波宽度不受无效的S光的影响，急剧缩减。突出了波谷底部的能量衰减最大点，利于其对应的共振波长的精确测量。

本发明的有益效果是：采用方便实用的偏振分光棱镜分光技术，使得棱镜SPR传感器在实时、特异、高通量、高灵敏度、微样品需求、无需额外标记等性能之外，又进一步获得了高精确度的特点。同时采用高分光带宽的膜系设计，实现了常用宽带光源的全波段高分光比，保证了棱镜SPR传感器的整体性能稳定性，克服了传统检测系统共振波长检测精度低的缺点。将此技术应用到基于波长调制的分布式棱镜SPR传感器检测系统中，还能有效减小不同待测物质对应的共振波谷之间的粘连，提高分布式检测效果和检测范围。

附图说明

图1是基于P偏振光的棱镜SPR传感器检测系统组成示意图。

图2是棱镜SPR传感器组成示意图。

图3是传统棱镜SPR传感器检测系统组成示意图。

图4是偏振分光棱镜组成及分光示意图。

图5是宽带宽多层膜系组成示意图。

图6是偏振分光棱镜分光效果仿真图

图中的标号名称：1.光源  2.多模光纤  3.偏振分光棱镜  4.棱镜SPR传感器  5.凸透镜  6.多模光纤  7.光谱仪  8.USB数据线  9.计算机  10.等腰直角棱镜  11.金属膜  12.样品池  13.白光光源  14..凸透镜  15.棱镜SPR传感器  16.凸透镜  17.多模光纤  18.光谱仪19.计算机  20.等腰直角棱镜  21.等腰直角棱镜  22.分光膜系  23高折射率材料  24.低折射率材料

具体实施方式

由图1可知，本发明的基于P偏振光的棱镜SPR传感器检测系统的具体组成是，宽带光源1(可用HL-2000卤钨宽带光源)发出的光经多模光纤2入射到基于Kretschmann模型的棱镜SPR传感器4上，反射光经凸透镜5耦合入多模光纤6并传入光谱仪7(可用USB2000型光谱仪)上，上述光谱仪7通过USB数据线与计算机9相连。其特征在于：在上述光源1与棱镜SRP传感器4之间还设有分光带宽为400nm-1000nm的偏振分光棱镜3。

计算机采用滤波算法对采集到的光谱进行分析，得到较为光滑的反射光归一化强度与入射光波长之间的关系曲线。然后扫略此曲线，找到曲线上共振波谷最低点，亦即发生SPR效应后能量的最大衰减点。该点对应的横坐标波长值就是能反映出待测物体折射率变化的共振波长。

图2是棱镜SPR传感器组成示意图。它包括等腰直角棱镜10(石英玻璃)、棱镜底面上增镀的金属膜(金、银等)11和固连在棱镜上的样品池12.样品池主要用来盛装电介质样品，保证样品与金属膜贴合。当用于生化检测时，金属膜表面通常会固定一种具特异识别属性的分子即配体，监控溶液中的被分析物与该配体的结合过程。在复合物形成或解离过程中，金属膜表面溶液的折射率发生变化，随即被棱镜SPR传感器检测出来。

图3是传统棱镜SPR传感器检测系统示意图。它的组成为：白光光源13发射出来的光经由凸透镜14汇聚后照射在棱镜SPR传感器15上，出射光再经由凸透镜16耦合入多模光纤17，并传导到与多模光纤17相连的光谱仪18之内，光谱仪18通过数据线与计算机19相连。该系统也是在计算机内采用滤波算法对采集到的光谱进行分析，得到较为光滑的反射光归一化强度与入射光波长之间的关系曲线。然后扫略此曲线，找到曲线上共振波谷最低点，在该点对应的横坐标上读出共振波长值。此系统能一定程度上通过检测到的共振波长的变化来监测待测液体折射率变化，但是共振波谷半波宽度较宽，谷底较平坦，不利于共振波长的检测。

图4是偏振分光棱镜组成示意图。它包括两个等腰直角棱镜20和21(ZF1重火石玻璃)以及一个多层膜系组成的粘结层22。当光从该分光棱镜一端入射到中间膜系上时，若入射角满足布儒斯特角，则P光分量能以高透射率透过该膜系。而S光分量却有绝大部分被反射到分光棱镜的上表面。

正是利用偏振分光棱镜的这一特性，使得入射到棱镜SPR传感器上的光只有能激发SPR效应的P偏振光，没有不能激发SPR效应的S偏振光。从而缩减了共振波谷半波宽度，突出了共振波长信息。

图5是该粘结层由图4是宽带宽多层膜系组成示意图。它主要由一种折射率大的材料(3(ZnS，折射率为2.281)、一种折射率小的材料24(MgF₂，折射率为1.376)。其主要分布形式可以表示为：(ZnS/MgF₂)¹⁰/ZnS，其中上角标10表示的是镀膜层数。若ZnS和MgF₂的膜厚分别用d_H和d_L表示，则厚度分布可以表示为：d_H、q·d_L、q²·d_H、q³·d_L......q¹⁹·d_L、q²⁰·d_H。其中q＝0.97，对中心波长为800nm的光，d_H＝d_L＝200nm

偏振分光棱镜中，很方便的选用入射角θ_S＝45°，并选用两种折射率相差较大的常用镀膜材料ZnS和MgF2，结合公式(1)和公式(2)就可以确定n_S，继而选定所用的直角等腰棱镜的材料为ZF1重火石玻璃。由于只用两种材料按照λ/4膜堆的形式叠加，选定400nm～1000nm范围内的中心波长700nm来设计膜层厚度，很难保证在如此宽的范围内一直都有P偏振光的高透射率和S偏振光的低透射率。所以采用膜层厚度按照几何倍数递增的方式来用两种材料实现400nm～1000nm范围内的分光。具体做法是：先选定中心波长为800nm设计λ/4膜堆，从而实现600～1000nm范围内的分光。然后将该膜系按照几何递增方式扩展，扩展后各层厚度为q^N-1·d，N是层数，d是所镀层的厚度(高折射率层为d_H，低折射率层为d_L)。选定q＝0.97，d_H＝d_L＝800/4nm＝200nm，则各层厚度为0.97^N-1·200nm。然后从3不断增加N的值，按照公式(3)和公式(4)计算P偏振光和S偏振光在400nm～1000nm范围内的透射率。直到某一个N使得T_P≈1，同时T_S≈0。注意：虽然很大的N值能更好提高使分光效果，但是镀膜层数越高，成本越高，而且衰减和损耗也越大。本发明中选用N＝21，能很好的满足分光要求。

图6是偏振分光棱镜分光效果仿真图。横坐标为波长，纵坐标是百分比。从图中可以看出，在400nm～1000nm范围内P偏振光和S偏振光的透射率分别有：T_P≈1，T_S≈0。很好的达到了宽带分光要求。

Claims (3)

1、一种基于P偏振光的棱镜SPR传感器检测系统，依次由光源(1)、多模光纤(2)、棱镜SPR传感器(4)、凸透镜(5)、通过多模光纤(6)接受上述凸透镜(5)传来光线的光谱仪(7)、与上述光谱仪相连的计算机(9)组成，其特征在于：在上述光源(1)与棱镜SRP传感器(4)之间还设有分光带宽为400nm-1000nm的偏振分光棱镜(3)。

2、根据权利要求1所述的基于P偏振光的棱镜SPR传感器检测系统，其特征在于：所述分光带宽为400nm-1000nm的偏振分光棱镜(3)的具体组成是：两块直角等腰棱镜(20、21)底面贴合，组成一个立方体，贴合面中间增镀分光膜系(22)，该膜系由一种折射率较大的材料(23)及一种折射率较小的材料(24)交替镀制而成；

上述直角等腰棱镜折射率为n_S，大折射率为n_H，小折射率为n_L，大折射率材料的厚度为d_H，小折射率材料的厚度为d_L；

以H代表大折射率材料，L代表小折射率材料，膜系叠放顺序依次为：按照λ/4膜堆的形式H/L交替叠放N层，H叠放1层；

n_S、n_H和n_L根据布儒斯特角条件和P偏振光反射强度为零的条件确定；

d_H和d_L通过设计波长带宽的中心波长及展宽带宽要求确定；

通过观察P偏振光和S偏振光的透射率随膜层数变化的情况，寻找使得P偏振光透射率几乎为1，S偏振光透射率几乎为0的膜层数，将此数值确定为N。

3、根据权利要求1所述的基于P偏振光的棱镜SPR传感器检测系统，其特征在于：上述大折射率和小折射率镀膜材料分别为ZnS和MgF2，折射率分别为2.281和1.376；上述直角等腰棱镜材料折射率为1.65，选用ZF1重火石玻璃；上述N为21，各层厚度可依次为200nm、194nm、188.18nm、182.53nm、177.06nm、171.75nm、166.59nm、161.60nm、156.75nm、152.05nm、147.48nm、143.06nm、138.77nm、134.61nm、130.57nm、126.65nm、122.85nm、119.17nm、115.59nm、112.12nm、108.76nm。

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