CN102721666A - 具有角漂移自适应结构的表面等离子体共振折射率传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及传感器及传感技术领域，具体涉及一种表面等离子体共振折射率传感器。它提出一种具有角漂移自适应结构的表面等离子体共振折射率传感器，包括：平行六面体棱镜、屋脊棱镜和金属薄膜；屋脊棱镜的长方形底面与平行六面体棱镜的右底面固定在一起；入射光从平行六面体棱镜的左底面垂直入射入，被镀有金属薄膜的平行六面体棱镜的上、下表面先后反射后，垂直入射到屋脊棱镜中并被屋脊棱镜反射，其反射光再次进入平行六面体棱镜并再次被镀有金属薄膜的平行六面体棱镜的下、上表面反射，然后从平行六面体棱镜出射，出射光与入射光平行但方向相反。本发明设计的对角漂移能够进行自动补偿的光学结构，有效地减小入射光角漂移引起的测量误差。
Description
技术领域
本发明涉及传感器及传感技术领域，具体涉及一种表面等离子体共振折射率传感器。
背景技术
表面等离子体共振是指金属表面自由电子的密度波动现象，通常是被边界上的外来电场所激发的表面电荷的量子振动。表面等离子体共振在特定条件下可以被可见光的倏逝波场所激发，因此在表面以及界面的光学性质研究中有重要意义，以表面等离子体共振效应为原理的折射率传感器已在光学、生物、化学、物理等多个领域得到了广泛应用。
为满足光波与金属表面等离子体波之间的藕合条件，必须设计合适的激发结构，常见的主要有棱镜型、光栅型和波导型，其中棱镜型结构简单，检测方便，同时灵敏度也很高，因此发展比较成熟,应用广泛，但该类结构受入射角漂移影响较大。为进一步提高棱镜型表面等离子体共振折射率传感器的性能和应用，需要在光路结构设计、信号调制处理、算法优化等方面加以改进。
发明内容
为了克服传统棱镜型表面等离子体共振传感器角漂移误差较大的缺陷，本发明提出一种结构简单、易于加工的具有角漂移自适应结构的表面等离子体共振折射率传感器。
本发明的技术方案是：一种具有角漂移自适应结构的表面等离子体共振折射率传感器，它包括：它包括：平行六面体棱镜、屋脊棱镜和金属薄膜；
所述金属薄膜镀在所述平行六面体棱镜上、下两个表面，所述屋脊棱镜的长方形底面与所述平行六面体棱镜的右底面胶合在一起，所述屋脊棱镜的脊边平行于固定面；且所述平行六面体棱镜的上表面与左底面的夹角θ0等于选定的入射角θinc（入射光线与上表面法线的夹角）；
其中，所述平行六面体棱镜与屋脊棱镜采用光学透明介质材料；所述金属薄膜采用能够产生表面等离子体共振效应的金属材料。所述金属薄膜的厚度介于20nm－100nm之间。
入射光从所述平行六面体棱镜的左底面垂直入射进入所述平行六面体棱镜内，被镀有金属薄膜的所述平行六面体棱镜的上、下表面先后反射后，垂直入射到所述屋脊棱镜中并被所述屋脊棱镜反射，其反射光再次进入所述平行六面体棱镜并再次被镀有金属薄膜的所述平行六面体棱镜的下、上表面反射，然后从所述平行六面体棱镜出射，出射光与入射光平行但方向相反。
工作原理：由于在整个工作过程中，入射光在平行六面体棱镜的上、下两个镀有金属薄膜表面总共反射4次，进入屋脊棱镜之前和之后各两次。进入屋脊棱镜之前入射光产生角漂移为Δθ，即从下表面反射进入屋脊棱镜的光入射角为θinc+Δθ，根据屋脊棱镜的性质，其反射光的出射角为θinc-Δθ。而从屋脊棱镜出来后的在平行六面体棱镜下、上两个表面的反射，又产生Δθ的角漂移。这样，光进入屋脊棱镜之前和之后，由于角漂移影响在平行六面体棱镜的上、下两个镀膜表面产生的表面等离子体共振信号的变化可以几乎被抵消掉。
本发明的有益效果是：本发明设计的对角漂移能够进行自动补偿的光学结构，有效地减小入射光角漂移引起的测量误差。而且，由于光在镀膜表面总共反射了4次，这样还大大增加了表面等离子体共振信号的强度，从而提高了测量灵敏度。此外，本发明的结构比较简单、易于加工。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明光线传递过程的主视图；
图3为本发明光线传递过程的视意图；
图4为本发明光线传递过程中所引起测量误差的原理示意图；
图5为未采用本发明情况下入射角漂移为1×10-5弧度所引起的测量误差曲线；
图6为采用本发明情况下入射角漂移为1×10-5弧度所引起的测量误差曲线。
其中，平行六面体棱镜-101、屋脊棱镜-102、金属薄膜-103。
具体实施方式
一种具有角漂移自适应结构的表面等离子体共振折射率传感器，它包括：平行六面体棱镜101、屋脊棱镜102和金属薄膜103；
所述金属薄膜103镀在所述平行六面体棱镜101上、下两个表面，所述屋脊棱镜102的长方形底面与所述平行六面体棱镜101的右底面固定在一起，所述屋脊棱镜102的脊边平行于固定面；且所述平行六面体棱镜101上表面与左底面的夹角θ0等于选定的入射角θinc；
其中，所述平行六面体棱镜101与屋脊棱镜102采用光学透明介质材料；所述金属薄膜103采用能够产生表面等离子体共振效应的金属材料。所述金属薄膜103的厚度介于20nm－100nm之间。
入射光从所述平行六面体棱镜101的左底面垂直入射进入所述平行六面体棱镜101内，被镀有金属薄膜103的所述平行六面体棱镜的上、下表面先后反射后，垂直入射到所述屋脊棱镜102中并被所述屋脊棱镜102反射，其反射光再次进入所述平行六面体棱镜101并再次被镀有金属薄膜103的所述平行六面体棱镜的下、上表面反射，然后从所述平行六面体棱镜101出射，出射光与入射光平行但方向相反。
采用K9玻璃所加工的平行六面体棱镜101，其上表面与左底面的夹角θ0为44.2°，K9玻璃所加工的屋脊棱镜102，K9玻璃的介电常数为2.2944。金属薄膜103采用金单质材料，其介电常数为-10.92+1.49i，镀膜厚度为40nm，在此厚度下，抗干扰能力和灵敏度较好。所测量对象为折射率在1～1.001之间某种气体，该折射率范围涵盖了几乎所有气体种类。工作时，采用横向塞曼双频氦氖激光器作为本发明传感器的入射光源，其输出一对波长为632.8nm并相互正交的线偏振光。将激光器输出的光分为两部分，一部分作为参考光被探测器接收形成参考信号，另一部分从本发明传感器结构中平行六面体棱镜101的左底面垂直入射，因此，相对于镀有金属薄膜103的上表面其入射角为44.2°。入射光在本发明传感器中经一系列反射后以平行与入射光的方向出射，并作为信号光被探测器接收形成测量信号。通过记录参考信号和测量信号之间的相位差变化，可以计算得到所测气体的折射率变化。
此时，当入射激光的角漂移为1×10-5弧度时，采用本发明传感器时可得到该角漂移引起的测量误差曲线如图5所示，其误差为10-6量级。而如果采用普通的棱镜型表面等离子体共振传感器，该角漂移引起的测量误差曲线则如图6所示，其误差则为10-5量级。
Claims (5)
1.一种具有角漂移自适应结构的表面等离子体共振折射率传感器，它包括：平行六面体棱镜（101）、屋脊棱镜（102）和金属薄膜（103）；其特征在于：
所述金属薄膜（103）镀在所述平行六面体棱镜（101）上、下两个表面，所述屋脊棱镜（102）的长方形底面与所述平行六面体棱镜（101）的右底面固定在一起，所述屋脊棱镜（102）的脊边平行于固定面；且所述平行六面体棱镜（101）的上表面与左底面的夹角θ0等于选定的入射角θinc；
其中，所述平行六面体棱镜（101）与屋脊棱镜（102）采用光学透明介质材料；所述金属薄膜（103）采用能够产生表面等离子体共振效应的金属材料；所述金属薄膜（103）的厚度介于20nm－100nm之间；
入射光从所述平行六面体棱镜（101）的左底面垂直入射进入所述平行六面体棱镜（101）内，被镀有金属薄膜（103）的所述平行六面体棱镜的上、下表面先后反射后，垂直入射到所述屋脊棱镜（102）中并被所述屋脊棱镜（102）反射，其反射光再次进入所述平行六面体棱镜（101）并再次被镀有金属薄膜（103）的所述平行六面体棱镜的下、上表面反射，然后从所述平行六面体棱镜（101）出射，出射光与入射光平行但方向相反。
2.如权利要求1所述的一种具有角漂移自适应结构的表面等离子体共振折射率传感器，其特征在于：所述平行六面体棱镜（101）与屋脊棱镜（102）采用的光学透明介质材料为：光学玻璃或有机聚合物材料。
3.如权利要求1或2所述的一种具有角漂移自适应结构的表面等离子体共振折射率传感器，其特征在于：所述金属薄膜（103）采用的能够产生表面等离子体共振效应的金属材料为金、银、铜、铝、钛、镍、铬中的任何一种，或是金、银、铜、铝、钛、镍、铬各自的合金，或是不同金属复合的材料。
4.如权利要求1或2所述的一种具有角漂移自适应结构的表面等离子体共振折射率传感器，其特征在于：所述金属薄膜（103）的厚度为40nm。
5.如权利要求3所述的一种具有角漂移自适应结构的表面等离子体共振折射率传感器，其特征在于：所述金属薄膜（103）的厚度为40nm。
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