CN103389278A - 一种固态超薄膜吸收光谱测量方法及相应的光谱测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量固态超薄膜吸收光谱的方法及相应的光谱测量装置。本发明将被测试的固态超薄膜淀积在光波导导波层局部表面上，通过改变固态超薄膜上方介质的折射率而使分布在固态超薄膜内部的波导光能量发生变化，从而改变固态超薄膜对导波光的吸收，由此获得固态超薄膜的吸收光谱。本发明灵敏度高，操作简单，测量时间短，不仅能够用于分析固态超薄膜光谱的偏振依赖性和界面依赖性，还可用于制作化学和生物传感器。
Description
技术领域
本发明涉及光谱测量技术和传感器技术领域，尤其涉及一种基于光波导技术的固态超薄膜偏振吸收光谱测量方法及相应的光谱测量装置。
背景技术
固态薄膜在集成光电子器件、传感器、太阳能电池、锂离子电池、液晶显示器、信息记录介质如光盘、磁盘、磁带、胶卷、相片等诸多方面具有极其广泛的应用。薄膜的电子和光谱特性常常对这些器件的性能有着深刻影响。因此，对薄膜电子和光谱特性的研究具有重要的科学意义和应用价值。常用的测量薄膜电子和光谱特性的方法包括紫外-可见分光光谱技术、反射光谱测量技术，傅立叶红外光谱技术，拉曼光谱技术等。由于灵敏度的限制，这些技术只适合测量厚度较大的固态薄膜的光谱特性，而无法准确测量固态超薄膜如单分子吸附层的光谱特性，更不能反映固态超薄膜光谱的偏振依赖性和界面依赖性。目前还缺少一种能够高灵敏度测定固态超薄膜偏振吸收光谱的方法。
发明内容
为解决上述的一个或多个问题，本发明提出一种固态超薄膜偏振吸收光谱测量方法及相应的光谱测量装置，把被测试的固态超薄膜淀积在光波导局部表面上，通过改变固态超薄膜上方介质的折射率而使分布在固态超薄膜内部的波导光能量发生变化，从而改变固态超薄膜对导波光的吸收，由此获得固态超薄膜的吸收光谱。本发明灵敏度高，操作简单，测量时间短，能够用于分析固态超薄膜光谱的偏振依赖性和界面依赖性，还可用于制作化学和生物传感器。
根据本发明的一个方面，提供了一种对固态超薄膜的偏振吸收光谱进行测量的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1，将光波导导波层3形成于光波导衬底2的一表面，之后将被测试的固态超薄膜4淀积在光波导导波层3的局部表面上；
步骤2，将光波导衬底2置于光波导承载件1的一表面；
步骤3，将样品槽5紧密覆盖在光波导导波层3上方，并使被测试的固态超薄膜4完全置于样品槽5内，并将样品槽进样口51与出样口52分别与蠕动泵和废液回收容器相连接；
步骤4，将输入耦合元件6a和输出耦合元件6b分别置于光波导导波层3的两端；
步骤5，将宽带聚焦光源7置于输入耦合元件6a的前方，线性起偏器71置于宽带线偏振聚焦光源7与输入耦合元件6a之间，宽带线偏振聚焦光源7发出的宽带聚焦光束垂直穿过线性起偏器71成为线偏振光，该线偏振光照射在输入耦合元件6a上被耦合进入光波导导波层3；
步骤6，将光谱分析仪8置于输出耦合元件6b的后方，以接收从输出耦合元件6b射出的光；
步骤7，记录光谱分析仪8的暗电流，作为背景信号IB；
步骤8，利用光谱分析仪8记录样品槽5内为空气时的光波导导波层输出光强度谱，作为参比信号IR；
步骤9，通过蠕动泵向样品槽5内注入液体样品，使液体样品完全覆盖固态超薄膜4，再次记录光波导导波层的输出光强度谱，作为样品信号IS；
步骤10，将测得的背景信号IB、参比信号IR和样品信号IS分别带入公式A＝-lg[(IS-IB)/(IR-IB)]中得到被测试的固态超薄膜4在不同波长下的吸光度A，形成被测试的固态超薄膜4的吸收光谱。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种固态超薄膜偏振吸收光谱测量装置，其特征在于，该装置包括：光波导承载件1、光波导衬底2、光波导导波层3、被测试的固态超薄膜4、样品槽5、输入耦合元件6a、输出耦合元件6b、宽带聚焦光源7、线性起偏器71和光谱分析仪8，其中，
光波导衬底2，置于光波导承载件1的一表面；
光波导导波层3，形成于光波导衬底2的一表面；
固态超薄膜4，淀积于光波导导波层3的局部表面；
样品槽5，紧密覆盖在光波导导波层3上方，并使固态超薄膜4完全置于样品槽5内，样品槽进样口51与出样口52分别与蠕动泵和废液回收容器相连接，液体样品由蠕动泵注入样品槽5；
输入耦合元件6a和输出耦合元件6b分别置于光波导导波层3的两端；
宽带聚焦光源7置于输入耦合元件6a的前方，光谱分析仪8置于输出耦合元件6b的后方；
线性起偏器71置于宽带聚焦光源7与输入耦合元件6a之间，宽带聚焦光源7发出的宽带聚焦光束垂直穿过线性起偏器71成为线偏振光，该线偏振光照射在输入耦合元件6a上被耦合进入光波导导波层3，从输出耦合元件6b射出的光被置于输出耦合元件6b后方的光谱分析仪8接收。
从上述技术方案可以看出，本发明测量固态超薄膜偏振吸收光谱的方法及相应的光谱测量装置具有以下有益效果：
1、本发明采用导波光作为探测光束代替了以往广泛使用的自由空间光束。由于导波光与淀积在光波导表面的薄膜的作用距离远大于薄膜厚度，本发明方法的灵敏度非常高，能够很容易测量固态超薄膜如单分子吸附层的吸收光谱；而那些基于自由空间光束的常规测量方法由于灵敏度不高，不能有效测量固态超薄膜的光谱特性。
2、本发明方法能够通过在光波内激发横电(TE)模式或横磁(TM)模式，测试固态超薄膜的TE偏振吸收光谱或TM偏振吸收光谱，从而容许研究固态超薄膜吸收光的偏振依赖性。
3、导波光与淀积在光波导表面的固态薄膜的长距离作用使得由本发明方法测得的薄膜吸收光谱对薄膜/光波导界面的特性较为敏感，尤其当被测薄膜为固态超薄膜的情况。因此，本发明方法还能够用于研究固态超薄膜吸收光谱的界面依赖性。
4、本发明方法还能够用于研究由特殊气氛诱导的或光照射诱导的固态超薄膜吸收光谱的变化。
5、本发明方法简单灵活、实用性强，容许使用不同材料制备的光波导，可以采用棱镜耦合、光栅耦合、光纤耦合、端面耦合等多种形式激发光波导导模，能够测量不同材料和不同方法形成的固态超薄膜吸收光谱。
6、由本发明方法测得的固态超薄膜的吸收光谱对薄膜上方的溶液折射率、浓度等特性十分敏感，因此，该测量固态超薄膜吸收光谱的方法还可用于制作传感器。
附图说明
图1为根据本发明一实施例的基于光栅耦合模式的固态超薄膜偏振吸收光谱测量装置结构示意图；
图2为根据本发明另一实施例的固态超薄膜偏振吸收光谱测量方法流程图。
图3为根据本发明另一实施例的基于棱镜耦合模式和以空气为衬底的自立式玻璃光波导的固态超薄膜偏振吸收光谱测量装置结构示意图；
图4为根据本发明另一实施例求得的酞菁铜固态超薄膜的TM偏振吸收光谱；
图5为根据本发明另一实施例测得的酞菁铜固态超薄膜的TE偏振吸收光谱和TM偏振吸收光谱的比较；
图6为根据本发明另一实施例测得的酞菁铜固态超薄膜的吸收光谱，其中，图6A为TE偏振吸收光谱，图6B为TM偏振吸收光谱；
图7A为根据本发明另一实施例测得的酞菁铜固态超薄膜的TE偏振吸收光谱；
图7B为图7A显示的TE偏振吸收光谱中相应于700纳米波长的吸光度与酞菁铜固态超薄膜长度的依赖关系；
图8为根据本发明另一实施例测得的酞菁铜固态超薄膜的吸收光谱随氯化钠浓度的变化，其中，图8A为TE偏振吸收光谱，图8B为TM偏振吸收光谱；
图9为图8显示的酞菁铜固态超薄膜的吸收光谱中给定波长对应的吸光度与氯化钠浓度的依赖关系，其中，图9A为TE偏振吸光度与氯化钠浓度的依赖关系，图9B为TM偏振吸光度与氯化钠浓度的依赖关系。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
【主要元件符号说明】
1-光波导承载件； 2-光波导衬底；
2a-光波导的空气衬底； 3-光波导导波层；
4-固态超薄膜； 5-样品槽；
51-样品槽进样口； 52-样品槽出样口；
6a-输入耦合光栅； 6b-输出耦合光栅；
7-宽带聚焦光源； 71-线性偏振器；
8-光谱分析仪； 9a-输入耦合棱镜；
9b-输出耦合棱镜。
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的附图标记，且在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中未绘示或描述的元件或实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
在本发明的一个示例性实施例中，提出了一种测量固态超薄膜偏振吸收光谱的装置。图1为根据本发明实施例基于光栅耦合模式的固态超薄膜偏振吸收光谱测量装置的结构示意图。如图1所示，该测量装置包括：光波导承载件1；光波导衬底2，置于光波导承载件1的一表面；光波导导波层3，形成于光波导衬底2的一表面，所述光波导导波层3和光波导衬底2形成光波导；被测试的固态超薄膜4，淀积形成于光波导导波层3的局部表面；样品槽5紧密覆盖在光波导导波层3上方，并使固态超薄膜4完全置于样品槽5内，样品槽进样口51与出样口52分别与蠕动泵和废液回收容器相连接，液体样品由蠕动泵注入样品槽5；输入耦合光栅6a和输出耦合光栅6b分别置于光波导导波层3的两端；光源7，比如宽带聚焦光源，置于输入耦合光栅6a的前方；线性起偏器71置于光源7与输入耦合光栅6a之间，光源7发出的宽带聚焦光束垂直穿过线性起偏器71成为线偏振光，该线偏振光照射在输入耦合光栅6a上衍射进入光波导导波层3，从输出耦合光栅6b射出的光被置于输出耦合光栅6b后方的光谱分析仪8接收。
所述装置通过改变固态超薄膜4上方液体样品的折射率而使分布在固态超薄膜4内部的波导光能量发生变化，从而改变固态超薄膜4对导波光的吸收，由此获得固态超薄膜4的吸收光谱。
在本发明的另一个示例性实施例中，提出了一种测量固态超薄膜偏振吸收光谱的方法。图2为测量固态超薄膜偏振吸收光谱的方法流程图。如图2所示，该方法包括以下步骤：
步骤1，将光波导导波层3形成于光波导衬底2的一表面，之后将被测试的固态超薄膜4淀积在光波导导波层3的局部表面上；
步骤2，将光波导衬底2置于光波导承载件1的一表面；
步骤3，将样品槽5紧密覆盖在光波导导波层3上方，并使被测试的固态超薄膜4完全置于样品槽5内，并将样品槽进样口51与出样口52分别与蠕动泵和废液回收容器相连接；
步骤4，将输入耦合元件6a和输出耦合元件6b分别置于光波导导波层3的两端；
步骤5，将宽带聚焦光源7置于输入耦合元件6a的前方，线性起偏器71置于宽带线偏振聚焦光源7与输入耦合元件6a之间，宽带线偏振聚焦光源7发出的宽带聚焦光束垂直穿过线性起偏器71成为线偏振光，该线偏振光照射在输入耦合元件6a上被耦合进入光波导导波层3；
步骤6，将光谱分析仪8置于输出耦合元件6b的后方，以接收从输出耦合元件6b射出的光；
步骤7，记录光谱分析仪8的暗电流，作为背景信号IB；
步骤8，利用光谱分析仪8记录样品槽5内为空气时的光波导导波层输出光强度谱，作为参比信号IR；
步骤9，通过蠕动泵向样品槽5内注入液体样品，使液体样品完全覆盖固态超薄膜4，再次记录光波导导波层的输出光强度谱，作为样品信号IS；
步骤10，将测得的背景信号IB、参比信号IR和样品信号IS分别带入公式A＝-lg[(IS-IB)/(IR-IB)]中得到被测试的固态超薄膜4在不同波长下的吸光度A，形成被测试的固态超薄膜4的吸收光谱。
需要说明的是，在利用本发明进行测量时，注入到样品槽5内的液体样品是水、水溶液、有机溶剂、有机溶液中的一种，需满足以下条件：
(1)该液体样品不能与被测试的固态超薄膜4发生化学反应；
(2)该液体样品不能溶解被测试的固态超薄膜4；
(3)该液体样品不能使被测试的固态超薄膜4从光波导导波层3表面脱落。
本发明中被测试的固态超薄膜4，是溶胶-凝胶薄膜、自组装薄膜、分子吸附层、纳米粒子吸附层、真空溅射薄膜、真空蒸薄膜中的一种；其材料为酞菁化合物、叶绿素、染料、颜料、富勒烯，纳米金属、蛋白质、二氧化硅(或二氧化钛或三氧化二铝)与有机物的混合物中的一种或几种。
本发明所使用的光波导导波层可以是离子交换玻璃导波层、高折射率氧化物薄膜导波层、氮化硅薄膜导波层、氮氧化硅薄膜导波层、由质子交换或原子扩散或离子注入方法制备的铌酸锂基导波层、以空气为衬底的自立式多模玻璃导波层、以多孔材料为衬底的薄膜导波层中的一种；所使用的耦合方式除了图1所示的光栅耦合方式外，还可以是棱镜耦合方式、光纤耦合方式、波导端面耦合方式中的一种。
图3为根据本发明的另一实施例基于棱镜耦合模式和以空气为衬底的自立式玻璃光波导的固态超薄膜偏振吸收光谱测量装置的结构示意图。如图3所示，该测量装置包括：光波导承载件1；自立式玻璃光波导3，置于光波导承载件1的一表面；光波导承载件1中间区域设有凹槽，构成了自立式玻璃光波导的空气衬底2；固态超薄膜4，淀积形成于光波导导波层3的局部表面；样品槽5紧密覆盖在光波导导波层3上，并使固态超薄膜4完全置于样品槽5内，样品槽进样口51与出样口52分别与蠕动泵和废液回收容器相连接，液体样品由蠕动泵注入样品槽5；输入耦合棱镜9a和输出耦合棱镜9b分别置于光波导导波层3的两端，并通过耦合液与光波导导波层3紧密接触；光源7，比如宽带聚焦光源，置于输入耦合棱镜9a的前方；线性起偏器71置于光源7与输入耦合棱镜9a之间，光源7发出的宽带聚焦光束垂直穿过线性起偏器71成为线偏振光，该线偏振光照射在输入耦合棱镜9a上折射进入自立式玻璃光波导，从输出耦合棱镜9b射出的光被置于输出耦合棱镜6b后方的光谱分析仪8接收。
测量时，首先记录光谱分析仪8的暗电流，作为背景信号IB，然后利用光谱分析仪8记录样品槽5内为空气时的光波导导波层输出光强度谱，作为参比信号IR；之后通过蠕动泵向样品槽5内注入液体样品，使液体样品完全覆盖固态超薄膜4，再次记录光波导导波层的输出光强度谱，作为样品信号IS；把测得的背景信号IB、参比信号IR和样品信号IS分别带入公式A＝-lg[(IS-IB)/(IR-IB)]中得到被测试的固态超薄膜4在不同波长下的吸光度A，形成被测试的固态超薄膜4的吸收光谱。
本发明测量固态超薄膜吸收光谱的方法，能够通过调节线性偏振器71改变光源光的偏振方向，在光波导导波层3内激发横电(TE)模式或横磁(TM)模式，从而实现固态超薄膜4的TE偏振吸收光谱和TM偏振吸收光谱的测定。
本发明测量固态超薄膜吸收光谱的方法，在将固态超薄膜4淀积在光波导导波层3的局部表面之前，采用化学或生物分子对光波导导波层3进行表面修饰，比如利用硅烷化合物使光波导导波层3表面疏水化，或利用聚合物电解质改变光波导导波层3表面电性，从而能够测试固态超薄膜4与光波导导波层3之间的界面特性对固态超薄膜4的吸收光谱的影响。
本发明测量固态超薄膜吸收光谱的方法，通过向样品槽5内通入某一气体，比如碱性气体、酸性气体、或有机化合物蒸气，代替液体注入，然后测试固态超薄膜4的吸收光谱的变化，从而可以获得固态超薄膜4与该气体的相互作用信息。
本发明测量固态超薄膜吸收光谱的方法，通过利用波长和强度给定的光束照射固态超薄膜4取代液体的注入，然后测试固态超薄膜4的吸收光谱的变化，从而可以获得光诱导的固态超薄膜4的电子与光谱特性的变化。
本发明测量固态超薄膜吸收光谱的方法，将固态超薄膜4固定为一特定的固态超薄膜，通过测量淀积在光波导导波层3局部表面的固态超薄膜4的偏振吸收光谱随固态超薄膜4上方溶液样品的折射率、浓度等参数的变化，还可用于检测溶液样品的折射率、浓度等参数。也就是说，本发明方法还可用于制作传感器。
本发明测量固态超薄膜吸收光谱的方法，当被用于制备传感器时，宽带聚焦光源7可以被发射波长位于固态超薄膜吸收光谱区间的激光器或发光二极管取代，光谱分析仪8可以被光电探测器取代。
以下用一具体的由真空蒸镀法在自立式玻璃光波导导波层局部表面制备的酞菁铜固态超薄膜为例，对本发明方法的测试效果进行详细说明。
图4为根据本发明另一实施例在自立式玻璃光波导导波层局部表面真空蒸镀酞菁铜固态超薄膜后，采用图3所示的装置测得的酞菁铜固态超薄膜暴露到空气中和被去离子水覆盖后的光波导导波层TM偏振输出光强度谱以及把相应于空气和去离子水的强度谱分别作为参比信号和样品信号求得的酞菁铜固态超薄膜的TM偏振吸收光谱。如图4所示，所采用的自立式玻璃光波导为50微米厚的平板玻璃基片，输入耦合棱镜9a和输出耦合棱镜9b是由折射率为1.799的玻璃制成的角度为30°、60°和90°的三棱镜，样品槽5，包括进样口51及出样口52由金属铝制成，在样品槽5与玻璃光波导之间夹有硅胶垫圈以使样品槽5与玻璃光波导保持紧密接触。光源7为卤钨灯光纤冷光源，光纤输出端连接透镜，使输出光为汇聚光束，光谱范围为360纳米至2500纳米；线性起偏器71的取向角最小分辨为0.2°，可精确控制入射光束的偏振态；光谱分析仪8为市售的CCD(电荷耦合器件)光纤光谱仪，其光谱测试范围为200纳米至1100纳米，光谱分辨率为1纳米。酞菁铜固态超薄膜采用真空蒸镀法制备而成，薄膜长度为2毫米。
测试时，开启光源7，使光源7发出的宽带聚焦光束垂直穿过线性起偏器71成为p偏振光，该p偏振光照射在输入耦合棱镜9a上折射进入自立式玻璃光波导成为TM导波光，从输出耦合棱镜9b射出的光被光谱分析仪8接收。当出射光达到稳定后，首先记录光谱分析仪8的暗电流，作为背景信号IB，然后利用光谱分析仪8记录样品槽5内为空气时的光波导导波层输出光强度谱，作为参比信号IR；之后通过蠕动泵向样品槽5内注入去离子水，使去离子水完全覆盖酞菁铜固态超薄膜4，再次记录光波导导波层的输出光强度谱，作为样品信号IS；把测得的背景信号IB、参比信号IR和样品信号IS分别带入公式A＝-lg[(IS-IB)/(IR-IB)]中就得出了酞菁铜固态超薄膜的TM偏振吸收光谱。
调节线性起偏器71也可以使光源7发出的宽带聚焦光束成为s偏振入射光，按照上述步骤可以获得酞菁铜固态超薄膜的TE偏振吸收光谱。
图5为根据本发明另一实施例采用图3所示的装置在以空气为参比和去离子水为样品的条件下测得的长度为6毫米的酞菁铜固态超薄膜的TE偏振吸收光谱和TM偏振吸收光谱。从图5中可看出，TE偏振和TM偏振吸收光谱在形状上有着非常大的区别，说明被测试的酞菁铜固态超薄膜是光学各向异性薄膜。这也证明了本发明方法完全能够用于分析固态超薄膜吸收光谱的偏振依赖性。另一方面，如图5所示，TE偏振吸收光谱中吸光度最大值达到0.25，而利用常规的紫外-可见分光光谱技术对相同酞菁铜固态超薄膜样品进行测试时却因样品太薄其吸光度被噪声淹没而未能获得有效的吸收光谱。两种方法的测试结果很好地说明了本发明方法对固态超薄膜的吸收光谱具有非常高的灵敏度。值得指出的是图4和图5使用的酞菁铜固态超薄膜不仅长度不同而且厚度也不同。
图6为根据本发明另一实施例采用图3所示的装置在以空气为参比和去离子水为样品的条件下测得的长度相同(6毫米)而厚度不同的酞菁铜固态超薄膜吸收光谱，其中，图6A为TE偏振吸收光谱，图6B为TM偏振吸收光谱。在利用真空蒸镀方法制备酞菁铜固态超薄膜样品时，首先在蒸镀装置的加热舟中加入定量的酞菁铜酒精混浊液(酞菁铜质量百分比浓度为5％)，当酒精在空气中彻底蒸发后再进行真空蒸镀，通过改变酞菁铜酒精混浊液的加入量，使得薄膜厚度得到控制。不难理解，酞菁铜薄膜的厚度随着酞菁铜酒精混浊液加入量的增加而增大。如图6A和图6B所示，酞菁铜固态超薄膜的TE偏振和TM偏振吸收光谱随着酞菁铜酒精混浊液加入量的增大而有规律地变化。
图7A为根据本发明另一实施例采用图3所示的装置在以空气为参比和去离子水为样品的条件下测得的厚度相同而长度不同的酞菁铜固态超薄膜的TE偏振吸收光谱。从图7A中可以看出，随着酞菁铜固态超薄膜长度的增加，薄膜的TE偏振吸收光谱有规律地变化。
图7B为图7A中的TE偏振吸收光谱相应于700纳米波长的吸光度与酞菁铜固态超薄膜长度的依赖关系。从图7B中可以看出，吸光度随着薄膜长度的增大而线性增加。这说明增加被测固态超薄膜的长度能够增大本发明方法的测试灵敏度。
图8为根据本发明另一实施例采用图3所示的装置在以空气为参比和不同浓度氯化钠水溶液为样品的条件下测得的酞菁铜固态超薄膜的吸收光谱随氯化钠浓度的变化，其中，图8A为TE偏振吸收光谱，图8B为TM偏振吸收光谱。图8A和图8B中，酞菁铜固态超薄膜长度为6mm，被测氯化钠水溶液样品的质量百分比浓度分别为0，5，10，15，20wt％。测试过程采用浓度从低至高的顺序进行，通过样品槽进样口51对样品槽进行注样，测试结束后通过样品槽出样口52将样品槽5内的溶液取净，之后再注入更高浓度的样品溶液。从图8中可以看出，随着氯化钠浓度的增大，酞菁铜固态超薄膜的偏振吸收光谱有规律地变化，说明酞菁铜固态超薄膜的偏振吸收光谱对其上方的溶液浓度十分敏感，这也证明了本发明方法能够用于制作传感器。
图9为图8显示的酞菁铜固态超薄膜的吸收光谱中给定波长对应的吸光度与氯化钠水溶液浓度的依赖关系，其中，图9A为700纳米波长对应的TE偏振吸光度与氯化钠浓度的关系，图9B为580纳米波长对应的TM偏振吸光度与氯化钠浓度的关系。从图9A和图9B中可以看出在给定波长下酞菁铜固态超薄膜的偏振吸光度随着氯化钠水溶液浓度的增大而线性升高。这也说明了当本发明方法用于制作传感器时，宽带聚焦光源7能够被发射波长位于固态超薄膜吸收光谱区间的激光器或发光二极管取代，而光谱分析仪8可以被光电探测器取代。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种对固态超薄膜的偏振吸收光谱进行测量的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1，将光波导导波层(3)形成于光波导衬底(2)的一表面，之后将被测试的固态超薄膜(4)淀积在光波导导波层(3)的局部表面上；
步骤2，将光波导衬底(2)置于光波导承载件(1)的一表面；
步骤3，将样品槽(5)紧密覆盖在光波导导波层(3)上方，并使被测试的固态超薄膜(4)完全置于样品槽(5)内，并将样品槽进样口(51)与出样口(52)分别与蠕动泵和废液回收容器相连接；
步骤4，将输入耦合元件(6a)和输出耦合元件(6b)分别置于光波导导波层(3)的两端；
步骤5，将宽带聚焦光源(7)置于输入耦合元件(6a)的前方，线性起偏器(71)置于宽带线偏振聚焦光源(7)与输入耦合元件(6a)之间，宽带线偏振聚焦光源(7)发出的宽带聚焦光束垂直穿过线性起偏器(71)成为线偏振光，该线偏振光照射在输入耦合元件(6a)上被耦合进入光波导导波层(3)；
步骤6，将光谱分析仪(8)置于输出耦合元件(6b)的后方，以接收从输出耦合元件(6b)射出的光；
步骤7，记录光谱分析仪(8)的暗电流，作为背景信号IB；
步骤8，利用光谱分析仪(8)记录样品槽(5)内为空气时的光波导导波层输出光强度谱，作为参比信号IR；
步骤9，通过蠕动泵向样品槽(5)内注入液体样品，使液体样品完全覆盖固态超薄膜(4)，再次记录光波导导波层的输出光强度谱，作为样品信号IS；
步骤10，将测得的背景信号IB、参比信号IR和样品信号IS分别带入公式A＝-lg[(IS-IB)/(IR-IB)]中得到被测试的固态超薄膜(4)在不同波长下的吸光度A，形成被测试的固态超薄膜(4)的吸收光谱。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在将固态超薄膜(4)淀积在光波导导波层(3)的局部表面之前，采用化学或生物分子对光波导导波层(3)进行表面修饰，能够测试固态超薄膜(4)与光波导导波层(3)之间的界面特性对固态超薄膜(4)的吸收光谱的影响。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，注入到样品槽(5)内的液体样品是水、水溶液、有机溶剂、有机溶液中的一种，所述液体样品需满足以下条件：
(1)该液体样品不能与被测试的固态超薄膜(4)发生化学反应；
(2)该液体样品不能溶解被测试的固态超薄膜(4)；
(3)该液体样品不能使被测试的固态超薄膜(4)从光波导导波层(3)表面脱落。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过调节线性偏振器(71)改变光源(7)的发射光的偏振方向，在光波导导波层(3)内激发横电(TE)模式或横磁(TM)模式，能够对固态超薄膜(4)的TE偏振吸收光谱和TM偏振吸收光谱进行测量。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过向样品槽(5)内通入气体代替液体注入，测试固态超薄膜(4)的吸收光谱的变化，能够获得固态超薄膜(4)与该气体的相互作用信息。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过利用波长和强度给定的光束照射固态超薄膜(4)取代液体的注入，然后测试固态超薄膜(4)的吸收光谱的变化，能够获得光诱导的固态超薄膜(4)的电子与光谱特性的变化。
7.一种固态超薄膜偏振吸收光谱测量装置，其特征在于，该装置包括：光波导承载件(1)、光波导衬底(2)、光波导导波层(3)、被测试的固态超薄膜(4)、样品槽(5)、输入耦合元件(6a)、输出耦合元件(6b)、宽带聚焦光源(7)、线性起偏器(71)和光谱分析仪(8)，其中，
光波导衬底(2)，置于光波导承载件(1)的一表面；
光波导导波层(3)，形成于光波导衬底(2)的一表面；
固态超薄膜(4)，淀积于光波导导波层(3)的局部表面；
样品槽(5)，紧密覆盖在光波导导波层(3)上方，并使固态超薄膜(4)完全置于样品槽(5)内，样品槽进样口(51)与出样口(52)分别与蠕动泵和废液回收容器相连接，液体样品由蠕动泵注入样品槽(5)；
输入耦合元件(6a)和输出耦合元件(6b)分别置于光波导导波层(3)的两端；
宽带聚焦光源(7)置于输入耦合元件(6a)的前方，光谱分析仪(8)置于输出耦合元件(6b)的后方；
线性起偏器(71)置于宽带聚焦光源(7)与输入耦合元件(6a)之间，宽带聚焦光源(7)发出的宽带聚焦光束垂直穿过线性起偏器(71)成为线偏振光，该线偏振光照射在输入耦合元件(6a)上被耦合进入光波导导波层(3)，从输出耦合元件(6b)射出的光被置于输出耦合元件(6b)后方的光谱分析仪(8)接收。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述光波导导波层(3)为离子交换玻璃导波层、高折射率氧化物薄膜导波层、氮化硅薄膜导波层、氮氧化硅薄膜导波层、由质子交换或原子扩散或离子注入方法制备的铌酸锂基导波层、以空气为衬底的自立式多模玻璃导波层、以多孔材料为衬底的薄膜导波层中的一种。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述固态超薄膜(4)为溶胶-凝胶薄膜、自组装薄膜、分子吸附层、纳米粒子吸附层、真空溅射薄膜、真空蒸薄膜中的一种。
10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述固态超薄膜(4)的材料为酞菁化合物、叶绿素、染料、颜料、富勒烯，纳米金属、蛋白质、二氧化硅/二氧化钛/三氧化二铝与有机物的混合物中的一种或几种。
11.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置可采用光栅耦合方式、棱镜耦合方式、光纤耦合方式、波导端面耦合方式中的一种。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，当采用光栅耦合方式时，所述输入耦合元件和输出耦合元件分别为输入耦合光栅和输出耦合光栅；
当采用棱镜耦合方式时，所述输入耦合元件和输出耦合元件分别为输入耦合棱镜和输出耦合棱镜，所述输入耦合棱镜和输出耦合棱镜分别通过耦合液与光波导导波层(3)紧密接触；
当采用光纤耦合方式时，所述输入耦合元件和输出耦合元件分别为输入耦合光纤和输出耦合光纤；
当采用波导端面耦合方式时，所述输入耦合元件和输出耦合元件分别为输入耦合波导端面和输出耦合波导端面。
13.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，当所述装置用作传感器时，所述被测试的固态超薄膜(4)为一特定的固态超薄膜，所述宽带聚焦光源(7)能够被发射波长位于固态超薄膜吸收光谱区间的激光器或发光二极管取代，所述光谱分析仪(8)能够被光电探测器取代，通过测量所述特定的固态超薄膜(4)的偏振吸收光谱随固态超薄膜(4)上方溶液样品的参数的变化，来检测所述溶液样品的参数。
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