CN1049977C - 测定不同介质的折射系数的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提出了一种光纤SPR-传感器，这种传感器具有适当的能量，并且适于使用多模纤维，从而消除了由于选用多种不同的模式而造成的有害的谐振传播。借助于激发表面等离子体以测定各种不同介质的折射系数的方法，以及为实现该方法所采用的其部分表面具有－SPR激发涂层或类似的涂层体系，且带有一倾斜角度为β的并与上述部分表面相邻接的表面的装置而达到上述目的。

Description

测定不同介质的折射系数的方法和装置
本发明涉及一种测量各种介质的折射系数的方法，以及实施这种方法的装置。为此目的，利用了在一个边界层金属介质中的表面等离子体的激发，以及谐振条件对该层，或邻接该金属层的涂层体系的折射系数的依赖关系。更确切地讲，本发明涉及到利用光纤发射和派生信号。本发明的可能的应用在于用于测量物理，化学和生物量值的光纤传感器的结构，上述量值可以利用折射系数的变化而间接地测出。
多年来已经对SPR传感器进行了大量的研究。有关这方面的研究首先是从常用的具有一个固体玻璃棱镜的Kretschmann装置着手的(EP-PS 0 410 505)，试图把多模光纤用于耦合和去耦合单色光。通过移动该光纤设定工作点，测定接收光纤反射的辐射强度。
“基于表面等离子体询问的光纤传感器”(″Fibre-optic sensorbased on surface plasmon interrogation″，Letizia De Maria，et.al.Sensors and Actuators B，12(1993)221-223)一文中公开了一种光纤传感器，该传感器利用单模光纤的磨成斜面并且镀有涂层的端面作为传感器探头。
该传感器也利用氦-氖激光器发射的单色光操作，并且用一个旋转λ/2延迟盘进行极化。在仅用TM-波激发表面等离子而用TE-波作为参考信号时，在检测器中产生的正弦信号有一个最小值和一个最大值。在这种装置中的精确的测量需要最佳的极化和高度稳定的波长。这种装置的缺点是必须用机械系统来使λ/2盘旋转，并且传感器探头散射回来的光的强度很低。
EP-PS 0 326 291中也公开了一种利用玻璃光纤的SPR-传感器，但在这种传感器中不能得到光纤派生信号。
DE-PS 43 05 830中公开了一种光纤SPR-传感器，这种传感器难于调节，这是由于它使用了两个光纤来激发和向后反射耦合光。
在“新的基于表面等离子体激发的″直插式″光纤传感器”(New″in-line″optical-fibre sensor based on surface plasmonexcitation，R.Alonso，F.Villuendas，J.Tornos and J.Pelayo，Sensors and Actuators A，37-38(1993)187-192)一文中描述了一种以单模光纤为基础的SPR-传感器。在这种传感器中表面等离子体谐振的激发是由埋置在环氧树脂中的单模光纤的研磨圆周上的一层薄的金镀层(15-35nm)产生的。在这种传感器中也是把线性极化单色光耦合到光纤中，并且将传输作为测量值来评估。
由于利用了相干源和需要稳定的波长，因此在这种情况下很难制造精确量值的传感器。
在公开的“新的基于表面等离子体谐振的用于生物化学检测的光纤传感器”(A Novel Surface Plasmon Resonance Fibre Optic SensorApplied to Biochemical Sensing，R.C.Jorgenson et.al.，SPIE VOL.1886(1993)，p.35-48)一文中，多模玻璃纤维芯的蒸发镀覆的圆柱面用于激发具有宽带光的表面等离子体。借助分光计分析光纤点上反射的信号。在这种装置中，阻尼最大的波长就是邻接于金属层的介质的折射系数的量值。由于多种模式而造成的多种不同波长的表面等离子体的激发，本装置的最大缺点在于严重的谐振传播。
本发明的目的是提出一种光纤SPR-传感器，这种传感器具有适当的能量，并且适于使用多模光纤，而且消除了由于多种不同的模式而造成的有害的谐振传播。
根据本发明，上述目的是通过如下所述的方法而完成的，即把光束(5)耦合于一个对于该光束是透明的圆柱体中时，借助于表面等离子体谐振(SPR)引起的可检测到的物理、化学和生物量值的变化，确定各种不同介质的折射系数的方法，其特征在于耦合的光束(5)经过端面(2)的两个相互倾斜的部分表面(3，4)，或至少是锥形的端面(2)的至少两次反射之后从圆柱体(1)的端面(2)返回到耦合和去耦合点，在至少一次反射过程中以光束(5)的波长以及α和/或β的倾斜角度激发表面等离子体谐振。实施上述方法的装置为圆柱体(1)的端面(2)具有一个向圆柱体(1)的纵向轴线倾斜一个角度(α)的部分表面(3)，为了利用表面等离子体谐振测量，所述部分表面(3)提供有一个其本身是已知的SPR-激发涂层或这类的涂层体系(6)。
本发明的用于激发表面等离子体谐振的方法特别适用于利用光纤发射和派生信号。特别是当把多模光纤与宽带光一起使用时，可以制造具有精确测量值的传感器。在这方面考虑了小型化分光计技术的进展，例如LIGA技术的进展。与圆柱体表面的蒸镀涂层相比较，由于可以通过相应的透镜准直辐射光，利用本发明可以取得较窄的谐振。在对平面端面部分的安排的进一步的改进中，通过利用极化滤波器可以排除TE-波，因此谐振波长的反射光的强度可以降低到0％。
测值精良的分量和对波长起伏的低灵敏度是不使用单模光纤或相干源的改进的特殊优点。
通过以下结合附图的说明本发明的其它的优点，特征和可能的应用将更为清楚，附图显示了：
图1是一个透光体的具有两个平的倾斜部分表面的端面；
图2是一个具有锥形端面的透光体的端面；
图3是一个具有截锥形端面的透光体的端面；
图4是以示例方式给出的触发和评估单元的电路图；
图5是传感器探头的示意图。
如附图所示，平行于透光圆柱体1的轴线的光线5在端面2的多个部分表面3，4上反射，适当地加工端面2的多个部分表面3，4，使得光线5经过至少两次反射而返回时依然平行于圆柱体1的轴线，在至少一次反射中所用的角度和波长激发出表面等离子体。在这种情况中合适的角度为α＝β＝30°。如果制造上有利，并且如果SPR-金属层有足够大的反射系数，用于反射的第二部分表面4也可以涂覆同样的涂层体系7。
在这种情况中，圆柱体1可以是，例如，玻璃棒，棒形透镜，GRIN透镜或者是光纤。所用的材料必须对所用波长的光是透明的。
在根据图5的实施例中，棒形透镜8的端面2如此加工，使其产生两个平的部分表面3，4，这两个部分表面的夹角α+β＝90°；角α和β可以等于45°。因此部分表面3，4的相交的直线垂直于圆柱体1的轴线。在另一端，多模光纤10的端面位于圆柱体1的轴线的延长线上的凸透镜9的焦点上，用于提供和派生宽带光5。
图4显示了可能用于评估传感器信号的光电系统的示意图。连接电源11，分光计12，13和经过一个插入式连接器15连接于传感器探头14的电源线连接于一个X-耦合器16。分光计12，13用于获得传感器信号和计算原始频谱的参考信号。

Claims (13)

1.把光束(5)耦合于一个对于该光束是透明的圆柱体中时，借助于表面等离子体谐振(SPR)引起的可检测到的物理、化学和生物量值的变化，确定各种不同介质的折射系数的方法，其特征在于耦合的光束(5)经过端面(2)的两个相互倾斜的部分表面(3，4)，或至少是锥形的端面(2)的至少两次反射之后从圆柱体(1)的端面(2)返回到耦合和去耦合点，在至少一次反射过程中以光束(5)的波长以及α和/或β的倾斜角度激发表面等离子体谐振。
2.实施根据权利要求1的方法的装置，其特征在于：圆柱体(1)的端面(2)具有一个向圆柱体(1)的纵向轴线倾斜一个角度(α)的部分表面(3)，为了利用表面等离子体谐振测量，所述部分表面(3)提供有一个其本身是已知的SPR-激发涂层或这类的涂层体系(6)。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于：还有一个倾斜一个角度(β)的部分表面(4)邻接于部分表面(3)，所述部分表面(4)仅有反射作用或是同样提供有一个激发表面等离子体谐振的涂层(6)。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于：角度α和β之和为90。
5.如权利要求2至4中之一所述的装置，其特征在于：倾斜部分表面(3，4)是结合在一起的部分锥形或部分截锥形的表面。
6.如权利要求3所述的装置，其特征在于：角度α和β等于30°。
7.如权利要求2至4中之一所述的装置，其特征在于：角度α和β等于45°。
8.如权利要求2至4中之一所述的装置，其特征在于：圆柱体(1)是一种在光纤或棒形透镜意义上的圆柱形光波导。
9.如权利要求2至4中之一所述的装置，其特征在于：光束(5)可以经过一个外部的光学透镜(9)，或一个与圆柱体(1)或一种光学体系形成整体的透镜(9)耦合和去耦合。
10.如权利要求2至4中之一所述的装置，其特征在于：提供有一个极化滤波器以便排除TE-波分量。
11.如权利要求5所述的装置，其特征在于圆柱体(1)是一种在光纤或棒形透镜意义上的圆柱形光波导。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于：光束(5)可以经过一个外部的光学透镜(9)，或一个与圆柱体(1)或一种光学体系形成整体的透镜(9)耦合和去耦合。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于：提供有一个极化滤波器以便排除TE-波分量。
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