CN102621686B - 一种用于spr传感的棱镜相位调制器及其调制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于SPR传感的棱镜相位调制器及其调制方法。现有的装置对实验温度和实验平台的稳定性要求较高。本发明的相位调制器包括斜方棱镜、步进电机旋转台、高反镜和光分束器。斜方棱镜设置在步进电机旋转台上，步进电机旋转台带动斜方棱镜旋转；激光经光分束器后从斜方棱镜的一个端面进入斜方棱镜，在斜方棱镜中发生多次全反射后由斜方棱镜的另一个端面出射至高反镜；激光经高反镜反射后在斜方棱镜中沿原光路返回，到达光分束器后产生反射光，该反射光即为相位调制光。本发明的棱镜相位调制器克服了传统相位调制器LCM和PZT温度稳定性低和抗震性差的缺点，能稳定地调制入射激光的p-s光相位差。
Description
技术领域
本发明属于传统光学、光子学和工程检测学交叉技术领域，涉及一种用于SPR传感的棱镜相位调制器及其调制方法。
背景技术
表面等离子共振传感器（Surface Plasmon Resonance Sensor，以下简称SPR传感器）是一种高精度的折射率传感器。其利用激光以一定入射角入射到金属薄膜来激发其表面自由电子的共振，既SPR，来实现对金属薄膜表面的样品折射率的高精度传感。发生SPR时，反射光中的平行于入射面的光场分量（以下简称p光）的光强迅速衰减并伴随着相位的剧烈跳变，而垂直于入射面的光场分量（以下简称s光）的光强基本不变，其相位也没有剧烈跳变。相位型SPR传感器通过提取反射光中p光和s光的相位差（以下简称p-s光相差）来检测样品折射率，这种类型的SPR传感器的传感精度最高，是角度型或波长型SPR传感器的10到100倍，可以达到10-9 RIU。另外，相位型SPR传感器更适合进行高通量的面阵传感，利用CCD成像技术来同时进行多个通道样品的同时检测。而角度型和波长型SPR传感器由于各个像素之间的干扰和检测设备复杂等原因，都不适合进行面阵传感。相位型SPR传感器的高灵敏度和高通量的优点，使其检测能力和实际应用价值高于角度型和波长型的SPR传感器，可以用在高通量、低浓度的蛋白互作、DNA分子结合和分子免疫反应等检测领域，因此，相位型SPR面阵传感器有着非常大的应用价值和发展潜力。
高精度的相位型SPR面阵传感器一般不直接测量反射光的p-s光相差来检测样品折射率，而是在入射光路中加入相位调制器来增加采样点数，减少环境噪声对检测精度的影响。
根据光路设置不同，相位型SPR面阵传感器可以分为共光路型（参考光路和实验光路为同一条光路）和非共光路型（参考光路和实验光路不为同一条光路）。共光路型的相位调制器调制的是p-s光相差，目前一般采用液晶相位调制器（LCM）。而非共光路型的相位调制器调制的是实验光路和参考光路的光程差，目前一般采用压电陶瓷位移平台（PZT）。基于LCM的调制器利用液晶分子的双折射效应来调制p-s光相差的调制器，由于液晶分子双折射效应受温度波动影响大，所以对实验环境的温度稳定性要求较高。而基于PZT的调制方式要用Mech-Zehnder干涉结构，这种结构对实验平台的稳定性要求非常高，稍微的振动就会影响检测结果。且LCM和PZT的价格往往昂贵，一般分别在10万元和5万元以上。
发明内容
本发明针对现有技术中相位型SPR面阵传感器中的相位调制器对实验环境要求高、实验稳定度低、价格昂贵等缺点，发明了一种全新的共光路型棱镜相位调制器及其调制方法，这种调制器能够在温度变化较大，平台存在震动的环境中稳定地调制激光p-s光相差，而且成本低，有较大的实际应用潜力。
本发明采用的技术方案是：
本发明中的相位调制器包括斜方棱镜、步进电机旋转台、高反镜和光分束器。斜方棱镜设置在步进电机旋转台上，步进电机旋转台带动斜方棱镜旋转；外部空间光源发出的激光经光分束器后从斜方棱镜的一个端面进入斜方棱镜，在斜方棱镜中发生多次全反射后由斜方棱镜的另一个端面出射至高反镜；激光经高反镜反射后在斜方棱镜中沿原光路返回，到达光分束器后产生反射光，该反射光即为相位调制光。
进一步的说，斜方棱镜材料为BK7，斜方棱镜长宽比为4:1；激光首次入射斜方棱镜时的入射角为-10°到5°时，对应的相位调制角范围为-368°到0°；
利用该棱镜相位调制器进行相位调制的方法，具体是：
调整固定在步进电机旋转台上的斜方棱镜的位置，使激光入射点位于旋转台的旋转轴附近，高反镜放置在斜方棱镜出射光路上，调整高反镜使其与出射光路垂直；当激光以一定角度从斜方棱镜的一个端面入射时，会在棱镜内部发生偶数次全反射，然后从斜方棱镜的另一个端面出射，发生全反射后，激光的p-s光相差会发生改变；根据光学折反射定律，从斜方棱镜出射的光和入射光平行，经过高反镜反射后始终按照原路返回，并最终从光分束器反射出去，成为已调制的出射光。相位调制角度和全反射角度有关，通过计算机控制步进电机旋转台带动斜方棱镜的连续转动来调节激光在斜方棱镜内发生全反射的入射角，可以实现对入射光p-s光相差的连续调制。
本发明具有的有益效果是：
本发明的棱镜相位调制器克服了传统相位调制器LCM和PZT温度稳定性低和抗震性差的缺点，在环境温度变化和平台震动的情况下，稳定地调制入射激光的p-s光相位差。同时，用棱镜相位调制器替代LCM或者PZT可以大大降低SPR传感器的成本。
附图说明
图1是激光在玻璃-空气界面发生全反射的示意图；
图2是激光在玻璃-空气界面发生全反射时，相位调制角和入射角的关系；
图3 是斜方棱镜内部和外围光路示意图；
图4 是经过斜方棱镜8次全反射后，相位调制角和棱镜入射角的关系；
图5 是棱镜相位调制器的具体构架方式。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明做进一步详述：
本实施例中的相位调制器包括斜方棱镜、步进电机旋转台、高反镜和光分束器。
斜方棱镜的尺寸为长40mm，高10mm，宽10mm，材料为BK7，要求角度误差小于30″，外形尺寸公差小于0.15mm，面形λ/4，光学面的表面光洁度IV级，非光学面磨砂处理。
步进电机旋转台平台直径100mm，重复性误差小于0.005°，最小旋转角度0.00125°，工作电流1.7A。
高反镜的直径25.4mm，镀介质膜，在632.8nm波长处的反射率大于99%。
光分束器的直径25.4mm，当632.8nm波长的激光以45°入射角入射该光分束器时，反射光强和透射光强之比为1:1。
具体构架为如图5所示，斜方棱镜固定在步进电机旋转台上，调整斜方棱镜的位置，使激光入射点位于旋转台的旋转轴附近，高反镜放置在斜方棱镜出射光路上，调整高反镜使其与出射光路垂直。激光在斜方棱镜内的光路如图3所示，当激光以一定角度从斜方棱镜的端面1入射，会在棱镜内部发生四次全反射，然后从端面2出射。根据光学折反射定律，从端面2出射的光和入射光平行，经过高反镜反射后始终按照原路返回，并最终从光分束器分离出去成为相位调制光。
根据麦克斯韦理论和菲涅尔定律，当激光以大于临界角的入射角从玻璃中入射到空气时，会在玻璃-空气界面上发生全反射，入射光被完全反射回玻璃，如图1所示。此时反射光的p光和s光的相位会发生不同的改变，从而起到一个相位调制的作用。我们称p光和s光的相位改变值之差为入射角θ下的相位调制角φ m 。相位调制角φ m 的大小与玻璃折射率n g 、入射角θ和全反射次数k有关。当其他参数固定时，改变入射角就可以改变相位调制角的大小。
（式1）
图2显示了折射率n g =1.515，全反射次数为k=1的情况下，相位调制角φ m 和入射角θ的关系。如图2可知，相位调制角最大值=46°。为了增加相位调制范围，使调制器有更好的调制效果，我们采用了斜方棱镜作为调制棱镜，利用光线在其内部多次全反射来增大相位调制范围，如图3所示。用高反镜反射后，入射光总共经过了8次全反射，对应的相位调制范围扩大8倍。我们设定激光入射到斜方棱镜端面1的入射角为棱镜入射角；当激光垂直入射到端面1时，棱镜入射角为0°；设定斜方棱镜经过顺时针旋转后，棱镜入射角为正；逆时针旋转后的棱镜入射角为负。当棱镜入射角为5°到 -10°时，p-s光相差实现了从0°到 -368°的相位调制，具体的相位调制曲线如图4所示。
我们通过计算机控制步进电机旋转台带动斜方棱镜的转动来连续改变棱镜入射角，可以实现对入射光p-s光相差的连续调制。根据几何光学原理，激光在经过高反镜反射后始终按照原光路返回并从光分束器分离出去，保证了棱镜相位调制器的出射光路的稳定。综上所述，本发明的棱镜调制器在保证出射光路稳定的前提下，有效实现了p-s光相差的连续调制。
本棱镜相位调制器的优点包括：
（1）调制范围大：如图4，当棱镜入射角为-10°到5°时，对应的相位调制角范围为-368°到0°。增加斜方棱镜的长宽比可以增加激光在其内部的全反射次数，从而可以进一步提高相位调制范围。增加棱镜折射率也可以提高调制范围。而传统的LCM调制器的调制范围一般不会大于2π，而且难以扩展。因此，棱镜相位调制器相比传统调制器有相位调制范围大的优点。
（2）调制精度高：由图4可知，棱镜入射角越小调制精度越高，但调制效果越不明显。当我们设置棱镜入射角为0°到5°，结合步进电机最小旋转角度0.00125°，得到相位调制精度为0.02°。更高的调制精度可以通过提高步进电机的细分率，或者采用分辨率更高的步进电机来实现。
（3）温度稳定性好： BK7玻璃折射率变化和温度的关系有以下公式：
式中Δn为折射率改变值，n(λ,T 0 )为初始温度T 0 ，入射波长λ下的初始折射率，ΔT为温度改变值，λ TK 为固定值0.17um。
从肖特玻璃详细参数表可知BK7的温度折射率系数：
D 0 =1.86×10-6；D 1 =1.31×10-8；D 2 = -1.37×10-11；
E 0 =4.34×10-7；E 1 =6.27×10-10；
当初始温度T 0 =20℃，波长λ=633nm时，BK7的折射率为1.515，当温度升为21℃时，可得：
Δn=1.3067×10-6
把上述结果代入式1，计算可得相位调制角φ m 随温度变化的漂移大约为1×10-4rad/℃，即使发生5℃的温度变化，φ m 的变化值大约为0.0005 rad，远小于一般相位型SPR面阵传感器最低检测精度，而传统LCM调制器需要安装恒温装置来稳定液晶分子的双折射特性，实验装置复杂，价格高昂。本棱镜相位调制器有着非常优良的温度稳定性，结构简单而且成本低，易于使用和维护。
（4）抗震性好：本棱镜相位调制器采用反射位移补偿的方法来消除调制棱镜振动对系统光路稳定性的影响。如图3所示，入射光来回两次经过调制棱镜，任何因为调制棱镜震动引起的光路偏移都可以经高反镜反射后反向补偿，从而始终保持出射光路不变。这种反向补偿的结构巧妙的解决了调制棱镜震动对系统光路和最终干涉结果的影响，从而提高了系统的稳定性。
本发明陈述了一种用于SPR传感的棱镜相位调制器及其调制方法，创新性地利用激光在棱镜-空气界面上发生全反射时对p光和s光的相位改变值不同来作为相位调制的基础，同时利用高反镜巧妙地实现了光路反向补偿，在相位调制的同时，保证调制后的出射光的光路不变。本发明所用到的材料为BK7，是现在科学研究和实际应用最常见的玻璃材料之一。而斜方棱镜是在一种广泛使用的标准形状棱镜，其价格便宜且加工精度高。综上所述，我们提出的棱镜相位调制器具克服了相位型SPR面阵传感器中原有的相位调制器LCM或者PZT的缺点，有调制精度高，温度稳定性好，抗震性能好，成本低，使用寿命长等优点，因此有着广阔的应用价值和市场潜力。
Claims (3)
1.一种用于SPR传感的棱镜相位调制器，包括斜方棱镜、步进电机旋转台、高反镜和光分束器；其特征在于：斜方棱镜设置在步进电机旋转台上，步进电机旋转台带动斜方棱镜旋转；外部空间光源发出的激光经光分束器后从斜方棱镜的一个端面进入斜方棱镜，在斜方棱镜中发生多次全反射后由斜方棱镜的另一个端面出射至高反镜；激光经高反镜反射后在斜方棱镜中沿原光路返回，到达光分束器后产生反射光，该反射光即为相位调制光。
2.根据权利要求1所述的棱镜相位调制器，其特征在于：斜方棱镜材料为BK7，斜方棱镜长宽比为4:1；设定斜方棱镜经过顺时针旋转后，棱镜入射角为正，逆时针旋转后的棱镜入射角为负；则当激光首次入射斜方棱镜时的入射角为-10°到5°时，对应的相位调制角范围为-368°到0°。
3.利用权利要求1所述的棱镜相位调制器进行相位调制的方法，其特征在于：
调整固定在步进电机旋转台上的斜方棱镜的位置，使激光入射点位于旋转台的旋转轴附近，高反镜放置在斜方棱镜出射光路上，调整高反镜使其与出射光路垂直；当激光以一定角度从斜方棱镜的一个端面入射时，会在棱镜内部发生偶数次全反射，然后从斜方棱镜的另一个端面出射；根据光学折反射定律，从斜方棱镜出射的光和入射光平行，经过高反镜反射后始终按照原路返回，并最终从光分束器反射出去，成为已调制的出射光；
通过计算机控制步进电机旋转台带动斜方棱镜的连续转动来调节激光在斜方棱镜内发生全反射的入射角，可以实现对入射光p-s光相差的连续调制。
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