CN104833433A - 一种检测相位的系统和方法和检测折射率的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种检测相位的系统和方法和检测折射率的系统和方法。该检测相位的系统包括光学系统、弱测量单元和光谱仪，所述光学系统将平行光输出至所述弱测量单元，所述弱测量单元使所述平行光中的P偏振光发生相位变化、进行放大并输出至光谱仪，所述光谱仪记录光谱中心波长的移动并根据波长的移动得出相位。
Description
技术领域
本发明涉及传感检测技术领域，特别是涉及一种检测相位的系统和方法和检测折射率的系统和方法。
背景技术
现有的检测相位的系统和检测折射率的系统结构复杂、准确度低。现有的检测相位的方法和检测折射率的方法步骤繁琐、准确度低。
上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
本发明(主要)目的在于提出一种检测相位的系统和方法和检测折射率的系统和方法，以解决上述现有技术存在的系统结构复杂、方法步骤繁琐、准确度低的技术问题。
为此，本发明提出一种检测相位的系统，包括光学系统、弱测量单元和光谱仪，所述光学系统将平行光输出至所述弱测量单元，所述弱测量单元使所述平行光中的P偏振光发生相位变化、进行放大并输出至光谱仪，所述光谱仪记录光谱中心波长的移动并根据波长的移动得出相位。
所述弱测量单元包括表面等离子体共振发生装置、前选偏振片和后选偏振片，所述前选偏振片和后选偏振片的偏振方向相互垂直，所述前选偏振片位于所述表面等离子体共振发生装置的光路前方，所述后选偏振片位于所述表面等离子体共振发生装置的光路后方。
所述光学系统包括发光二极管和准直透镜，所述准直透镜将所述发光二极管发出的光变换为平行光。
所述的检测相位的系统还包括设置在所述光学系统和弱测量单元之间的高斯滤波片，所述高斯滤波片将所述光学系统输出的平行光整形为高斯光谱。
所述表面等离子体共振发生装置包括棱镜和金膜，所述金膜镀在所述棱镜的斜面上。
所述的检测相位的系统还包括耦合透镜，所述耦合透镜将经弱测量单元出射的光耦合到光谱仪内。
一种检测折射率的系统，包括光学系统、弱测量单元和光谱仪，所述光学系统将平行光输出至所述弱测量单元，所述弱测量单元将使所述平行光中的P偏振光发生相位变化、进行放大并输出至光谱仪，所述光谱仪记录光谱中心波长的移动并根据波长的移动得出位于所述弱测量单元中的待测物体的折射率。
所述弱测量单元包括表面等离子体共振发生装置、前选偏振片和后选偏振片，所述前选偏振片和后选偏振片的偏振方向相互垂直，所述前选偏振片位于所述表面等离子体共振发生装置的光路前方，所述后选偏振片位于所述表面等离子体共振发生装置的光路后方。
一种检测相位的方法，其特征在于包括如下步骤：光学系统将平行光输出至弱测量单元；所述弱测量单元使所述平行光中的P偏振光发生相位变化、进行放大并输出至光谱仪；所述光谱仪记录光谱中心波长的移动并根据波长的移动得出相位。
一种检测折射率的方法，其特征在于包括如下步骤：光学系统将平行光输出至弱测量单元，所述弱测量单元使所述平行光中的P偏振光发生相位变化、进行放大并输出至光谱仪，所述光谱仪记录光谱中心波长的移动并根据波长的移动得出位于所述弱测量单元中的待测物体的折射率。
本发明与现有技术对比的有益效果包括：本发明具有所有SPR技术的对表面折射率变化敏感的特点，同时结合了弱测量单元对敏感信号放大的优势，具有很高的灵敏度。
附图说明
图1是本发明一个实施例的检测相位的系统的原理框图。
图2是本发明一个实施例的检测相位的系统的光路结构图。
图3是本发明一个实施例的检测相位的方法的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式并对照附图对本发明作进一步详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
参照以下附图，将描述非限制性和非排他性的实施例，其中相同的附图标记表示相同的部件，除非另外特别说明。
本领域技术人员将认识到，对以上描述做出众多变通是可能的，所以实施例仅是用来描述一个或多个特定实施方式。
如图1、2所示，一种检测相位的系统，包括光学系统、弱测量单元和光谱仪9，光学系统将平行光输出至弱测量单元，弱测量单元使平行光中的P偏振光发生相位变化、进行放大并输出至光谱仪9，光谱仪9记录光谱中心波长的移动并根据波长的移动得出相位。本发明将弱测量应用到表面等离子体共振(surface plasmon resonance，简写为SPR)相位检测。利用弱测量的原理，相位信号会被放大，加之SPR本身对于表面信息具有很高的灵敏度，这种弱测量检测SPR相位具有极高的灵敏度。
弱测量单元包括表面等离子体共振发生装置、前选偏振片4和后选偏振片8，前选偏振片4和后选偏振片8的偏振方向相互垂直，前选偏振片4位于表面等离子体共振发生装置的光路前方，后选偏振片8位于表面等离子体共振发生装置的光路后方。
光学系统包括发光二极管1和准直透镜2，准直透镜2将发光二极管1发出的光变换为平行光。发光二极管1可以采用近红外的超辐射发光二极管。
检测相位的系统还包括设置在光学系统和弱测量单元之间的高斯滤波片3，高斯滤波片3将光学系统输出的平行光整形为高斯光谱。
表面等离子体共振发生装置包括棱镜5和金膜6，金膜6镀在棱镜5的斜面上。
检测相位的系统还包括耦合透镜8，耦合透镜8将经弱测量单元出射的光耦合到光谱仪9内。例如，耦合到光谱仪9的光纤内。
本发明还提出了一种检测折射率的系统，包括光学系统、弱测量单元和光谱仪9，光学系统将平行光输出至弱测量单元，弱测量单元将使平行光中的P偏振光发生相位变化、进行放大并输出至光谱仪9，光谱仪9记录光谱中心波长的移动并根据波长的移动得出位于弱测量单元中的待测物体的折射率。检测折射率的系统与检测相位的系统基本相同。当SPR装置表面由于待测物引入一个微弱的折射率变化时，会引起p偏振光的相位发生变化，再经过弱测量系统的放大效果，转换成为光谱中心波长的偏移，由于出射光谱会被光谱仪所记录，SPR实际发生的相位移动可以通过计算光谱中心波长的移动直接求出。
超辐射发光二极管1发出的光，经过准直透镜2变成平行光，再经过高斯滤光片3将波形整形成为高斯波包，通过一个偏振方向为接近水平方向的前选偏振片4成为前选择态。SPR装置采用Kretschmann全反射模型：棱镜5的斜面上镀了45nm厚的金膜6，金膜6外为被测平面。光斑照射在金膜6表面上，中心光束的入射角约为45°。出射光再经过一个偏振方向接近垂直方向的后选偏振片7，作为后选择态。出射光通过耦合透镜8耦合进入光谱仪9。
根据弱测量系统的计算，最终光谱的移动由下式确定：
其中δλ为中心光谱的该变量；λ0为光源的中心波长；Δλ为与光源相关的已知参数；γ为与前选择偏振片角度和后选择偏振态角度相关的系数；为相位。
相位由下式确定：
其中为p偏振光经过金膜表面反射之后的反射光光谱；λ为波长；angle代表求复反射率的幅角；k(θ,λ)为表面等离子体共振发生装置的系数，与波长λ和入射光角度θ有关；n为金属膜表面的折射率。
从上述两式可以看出，SPR表面折射率的改变会引入一个相位这个相位可以通过弱测量系统进行测量，最终通过测量光谱中心波长的改变然后计算出来。SPR发生装置表面的待测物折射率的改变所引入的相位差最终会通过光谱仪中得到的光谱中心波长的移动来反应出来。
由于实际系统可能存在与理论值的偏差，例如金膜厚度偏差，入射光角度偏差等，因此需要对整个测量系统进行定标，来确定中心波长与相位、中心波长与金膜表面折射率的数值关系。以标准样品改变金属膜表面的折射率，例如改变表面空气密度，标准大气压下空气的折射率为1，增大压强时空气折射率会增大。当空气压力增大时，折射率n增大，光谱的中心波长会随之移动。记录折射率的改变量Δn与光谱仪中中心波长的改变量Δλ，得到一条中心波长λ与相位的曲线和中心波长λ与折射率n的曲线n＝g(λ)。测量待测物时，光谱仪中记录的中心波长位置对应于金膜表面待测物导致表面折射率变化而引入的相位。我们可以通过光谱的中心波长的移动与相位改变的关系得到SPR发生装置中的相位同时也可以利用中心波长与折射率的关系n＝g(λ)测量金属表面的折射率n。
一种检测相位的方法，包括如下步骤：光学系统将平行光输出至弱测量单元；弱测量单元使平行光中的P偏振光发生相位变化、进行放大并输出至光谱仪9；光谱仪9记录光谱中心波长的移动并根据波长的移动得出相位。
一种检测折射率的方法，包括如下步骤：光学系统将平行光输出至弱测量单元；弱测量单元使平行光中的P偏振光发生相位变化、进行放大并输出至光谱仪9；光谱仪9记录光谱中心波长的移动并根据波长的移动得出位于弱测量单元中的待测物体的折射率。
本发明还有下列独特的优点：本方法首次将弱测量原理与SPR传感技术结合，实现利用弱测量检测SPR相位。由于SPR技术本身对于表面信息十分灵敏，结合弱测量原理的放大作用，本发明具有很高的灵敏度，非常适合于各种分子生物化学领域的应用。
尽管已经描述和叙述了被看作本发明的示范实施例，本领域技术人员将会明白，可以对其作出各种改变和替换，而不会脱离本发明的精神。另外，可以做出许多修改以将特定情况适配到本发明的教义，而不会脱离在此描述的本发明中心概念。所以，本发明不受限于在此披露的特定实施例，但本发明可能还包括属于本发明范围的所有实施例及其等同物。
Claims (10)
1.一种检测相位的系统，其特征在于：包括光学系统、弱测量单元和光谱仪，所述光学系统将平行光输出至所述弱测量单元，所述弱测量单元使所述平行光中的P偏振光发生相位变化、进行放大并输出至光谱仪，所述光谱仪记录光谱中心波长的移动并根据波长的移动得出相位。
2.如权利要求1所述的检测相位的系统，其特征在于：所述弱测量单元包括表面等离子体共振发生装置、前选偏振片和后选偏振片，所述前选偏振片和后选偏振片的偏振方向相互垂直，所述前选偏振片位于所述表面等离子体共振发生装置的光路前方，所述后选偏振片位于所述表面等离子体共振发生装置的光路后方。
3.如权利要求1所述的检测相位的系统，其特征在于：所述光学系统包括发光二极管和准直透镜，所述准直透镜将所述发光二极管发出的光变换为平行光。
4.如权利要求1所述的检测相位的系统，其特征在于：还包括设置在所述光学系统和弱测量单元之间的高斯滤波片，所述高斯滤波片将所述光学系统输出的平行光整形为高斯光谱。
5.如权利要求2所述的检测相位的系统，其特征在于：所述表面等离子体共振发生装置包括棱镜和金膜，所述金膜镀在所述棱镜的斜面上。
6.如权利要求1所述的检测相位的系统，其特征在于：还包括耦合透镜，所述耦合透镜将经弱测量单元出射的光耦合到光谱仪内。
7.一种检测折射率的系统，其特征在于：包括光学系统、弱测量单元和光谱仪，所述光学系统将平行光输出至所述弱测量单元，所述弱测量单元将使所述平行光中的P偏振光发生相位变化、进行放大并输出至光谱仪，所述光谱仪记录光谱中心波长的移动并根据波长的移动得出位于所述弱测量单元中的待测物体的折射率。
8.如权利要求7所述的检测折射率的系统，其特征在于：所述弱测量单元包括表面等离子体共振发生装置、前选偏振片和后选偏振片，所述前选偏振片和后选偏振片的偏振方向相互垂直，所述前选偏振片位于所述表面等离子体共振发生装置的光路前方，所述后选偏振片位于所述表面等离子体共振发生装置的光路后方。
9.一种检测相位的方法，其特征在于包括如下步骤：
光学系统将平行光输出至弱测量单元；
所述弱测量单元使所述平行光中的P偏振光发生相位变化、进行放大并输出至光谱仪；
所述光谱仪记录光谱中心波长的移动并根据波长的移动得出相位。
10.一种检测折射率的方法，其特征在于包括如下步骤：
光学系统将平行光输出至弱测量单元，
所述弱测量单元使所述平行光中的P偏振光发生相位变化、进行放大并输出至光谱仪，
所述光谱仪记录光谱中心波长的移动并根据波长的移动得出位于所述弱测量单元中的待测物体的折射率。
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