CN105158208B - 一种古斯汉欣位移spr高灵敏度介质折射率检测方法 - Google Patents
一种古斯汉欣位移spr高灵敏度介质折射率检测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种古斯汉欣位移SPR高灵敏度介质折射率检测方法，其主要特点是激光经光开关后变为参考光与传感光。参考光经PBS分光膜后，其TM偏振光波直接入射到PSD上产生参考光电流；传感光束经PBS分光膜后，TM偏振光波垂直四边棱镜的第一工作面到达其底部，第一次激励SPR并首次增强古斯汉欣位移，之后,反射光经全反射直角棱镜两次全反射后，以入射角γ再一次进入四边棱镜的第二工作面到达其底部，第二次激励SPR并再次增强古斯汉欣位移，其反射光被全反射薄膜反射到PSD产生传感光电流。传感光电流与参考光电流经过数据处理装置进行数据处理。本发明对一束入射光能两次极大地增强古斯汉欣位移，提高了系统的测量分辨率，可测量介质微小折射率变化。
Description
技术领域
本发明属于基于表面等离子体共振(surface plasmon resonance(SPR))效应测量介质折射率的技术，特别是一种基于测量古斯汉欣位移(Goos-shift(GHshift))SPR高灵敏度介质折射率检测方法。
背景技术
表面等离子体共振(SPR)效应作为一种发生在金属与电介质界面的物理光学现象，它对环境介质折射率变化非常敏感。目前，基于SPR效应的传感器结构已被广泛应用于液态物质检测技术，如生化、环保监测、药品研制和食品安全等领域，并在基因突变的检测、生物分子反应动力学测定以及工业废水废气监控等取得重大进展。基于SPR的棱镜型传感器检测分析方法有4种：
(1)角度调制法，即单色光入射，改变入射角,检测反射光的归一化强度随入射角的变化情况，并记录反射光强度最小时的入射角，也就是共振角；
(2)波长调制法，即复色光入射，固定入射角而对反射光的光谱进行分析，得到反射率随波长的变化曲线，并记录共振波长；
(3)强度调制法，即入射光的角度和波长都固定，通过检测反射光强度的变化分析折射率的变化；
(4)相位调制法，即入射光的角度和波长都固定，观测入射光与反射光的相位差。
在这4种方法中,角度调制法需要昂贵的精密角度转动装置和控制系统；波长调制法需要复色光和昂贵的光谱分析装置；相位调制法需要一系列高频电路，这就使得它们的应用受到限制；强度调制法由于光源强度的波动以及光电接收器和放大电路存在着直流漂移，其测量精度会受到很大的限制。文献[YANG Xiao-Yan,LIU De-Ming,XIE Wen-Chong,LIChun-Fang.High-sensitivity sensor based on surface plasmon resonance enhancedlateral beam displacements.Chin.Phys.Lett.,2007,24(2):458-461]是一种基于克莱切曼(Kretschmann)结构的测量古斯汉欣位移的新型棱镜SPR传感方法。这种传感 方法不具有使一束入射的测量光能两次激励SPR并两次增强古斯汉欣位移(GH shift)，从而能进一步提高系统的测试分辨率(或灵敏度)。总之，该文献提出的方法在进一步提高系统的测量分辨率(或灵敏度)方面存在不足。
发明内容
本发明的目的是克服现有基于测量古斯汉欣位移的棱镜SPR技术的不足，提供一种提高系统测量分辨率(或灵敏度)的古斯汉欣位移SPR高灵敏度介质折射率检测方法。
本发明的技术方案是：
一种古斯汉欣位移SPR高灵敏度介质折射率检测方法，采用由半导体激光器电源与带尾光纤的半导体激光器构成的激光发射装置、光开关、偏振光分束器及平行入射面振荡的偏振光波全反射装置、激励表面等离子体共振并增强古斯汉欣位移装置、光电转换、信号放大和数据处理装置，通过实验得到标准介质所对应的古斯汉欣位移,采用数据处理装置对所测介质与标准介质所对应的古斯-汉欣位移进行比较处理,得到被测介质的折射率；其特征在于：所述的激励表面等离子体共振并增强古斯汉欣位移装置是一束入射光两次激励表面等离子体共振并两次增强古斯汉欣位移装置，所述的一束入射光两次激励表面等离子体共振并两次增强古斯汉欣位移装置包含四边棱镜、金属薄膜及待测量介质构成的克莱切曼结构和全反射装置；其中：
所述的偏振光分束器及平行入射面振荡的偏振光波全反射装置包含偏振光分光膜、平行入射面振荡的偏振光波全反射膜和两个直角棱镜；
所述的光开关包含输入光纤、传感光支路光纤准直器、参考光支路光纤准直器，输入光纤与带尾光纤的半导体激光器之间通过光纤连接器连接；
所述的光电转换、信号放大和数据处理装置包含光电位置传感器、电流电压转换器、差动放大电路和数据处理装置；
由半导体激光器发出的激光束经光开关后变为参考光与传感光；
参考光经光纤准直器到达偏振光分束器及平行入射面振荡的偏振光波全反射装置，经偏振光分光膜后，平行入射面振荡的偏振光波直接入射到光电位置 传感器上产生参考光电流Im与In，该电流提供基准位移，即称零点位移；
传感光束经光纤准直器到达偏振光分束器及平行入射面振荡的偏振光波全反射装置，经偏振光分光膜后，平行入射面振荡的偏振光波垂直激励表面等离子体共振并增强古斯汉欣位移装置的四边棱镜的第一工作面到达其底部，在底部金属薄膜与待测介质界面上第一次激励表面等离子体共振，并首次增强古斯汉欣位移，之后，反射光到达全反射装置，经全反射直角棱镜两次全反射后，以入射角(γ)进入激励表面等离子体共振并增强古斯汉欣位移装置的四边棱镜的第二工作面到达其底部，并在金属薄膜与待测介质界面上第二次激励表面等离子体共振，并再次增强古斯汉欣位移；
经过两次激励表面等离子体共振并两次增强古斯汉欣位移后的反射光，再次到达偏振光分束器及平行入射面振荡的偏振光波全反射装置被全反射薄膜反射到光电位置传感器上产生传感光电流Ik与Il；
传感光电流与参考光电流分别经电流电压转换器转换为电压后分时经过差动放大电路放大，到达数据处理装置完成数据处理。
所述的数据处理装置提供光开关的控制信号；数据处理装置处理数据的主要运算之一是求参考光支路电流Im、In对应的电压Vm、Vn之差与传感光支路电流Ik、Il对应的电压Vk、Vl之差的比值S，即：S＝[(Vm-Vn)/(Vk-Vl)]。
本发明与现有技术相比较，具有突出的实质性特点和显著的效果是：
所述的激励SPR并增强古斯汉欣位移装置是一束入射光两次激励SPR并两次增强古斯汉欣位移装置；所述的一束入射光两次激励SPR并两次增强古斯-汉欣位移装置是由四边棱镜、金属薄膜及待测量介质构成的克莱切曼结构和全反射装置组成；减少了TM偏振光波的能量损耗，可两次极大地增强古斯汉欣位移，高效利用了TM偏振光波，从而提高了系统的测量分辨率(或灵敏度)。
附图说明
图1是一种古斯汉欣位移SPR高灵敏度介质折射率检测方法的原理示意图；
图2是一束入射光两次激励SPR并两次增强古斯汉欣位移结构示意图；
图3是偏振光分束器及平行入射面振荡的偏振光波反射装置结构示意图；
图4是两次增强古斯汉欣位移与入射角度的关系曲线图；
图5为数据处理装置控制和数据处理流程图。
图中：半导体激光器电源1、半导体激光器2、光开关3、传感光支路光纤准直器4、参考光支路光纤准直器5、由直角棱镜601、PBS分光膜602、直角棱镜603、平行入射面振荡(TM)光全反射膜604、四边棱镜701、金属薄膜702、测量液体介质703、全反射装置8、光电位置传感器9、电流电压转换器10、差动放大器11和数据处理装置12。其中：由直角棱镜601、PBS分光膜602、直角棱镜603和平行入射面振荡(TM)的偏振光波全反射膜604构成的偏振光分束器(PBS)及平行入射面振荡(TM)的偏振光波反射装置6；由四边棱镜701、金属薄膜702和测量液体介质703构成的克莱切曼结构7。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明具体实施方法。
图1所示，本发明一种古斯-汉欣位移SPR高灵敏度介质折射率检测方法，包括由半导体激光器电源1与带尾光纤的半导体激光器2构成的激光发射装置、光开关3、偏振光分束器(PBS)及平行入射面振荡(TM)的偏振光波全反射装置6、激励SPR并增强古斯汉欣位移装置7、全反射装置8、光电转换、信号放大和数据处理装置，其特征在于所述的激励SPR并增强古斯汉欣位移装置是一束入射光两次激励SPR并两次增强古斯汉欣位移装置；所述的一束入射光两次激励SPR并两次增强古斯汉欣位移装置由四边棱镜701、金属薄膜702及待测量介质703构成的克莱切曼结构7和全反射装置8组成；其中：
所述的偏振光分束器(PBS)及平行入射面振荡(TM)的偏振光波全反射装置包含偏振光分束器(PBS)分光膜602、TM偏振光波全反射膜604和两个直角棱镜601、603；
所述的光开关包含输入光纤、传感光支路光纤准直器4、参考光支路光纤准直器5，输入光纤与带尾光纤的半导体激光器2之间通过光纤连接器连接；
所述的光电转换、信号放大和数据处理装置包含光电位置传感器9、电流电压转换器10、差动放大电路11和数据处理装置12。
本发明一种古斯汉欣位移SPR高灵敏度介质折射率检测方法的光电信号的传输过程，由半导体激光器2发出的激光束经光开关3后变为参考光与传感光，参考光经光纤准直器5到达偏振光分束器(PBS)及平行入射面振荡(TM)的偏振光波全反射装置6，经偏振光分束器(PBS)分光膜602后，平行入射面振荡(TM)的偏振光波直接入射到光电位置传感器9上产生参考光电流Im与In，该电流提供基准位移(或称零点位移)；传感光束经光纤准直器4到达偏振光分束器(PBS)及平行入射面振荡(TM)的偏振光波全反射装置6，经PBS分光膜602后，平行入射面振荡(TM)的偏振光波垂直激励SPR并增强古斯汉欣位移装置7的四边棱镜701的第一工作面到达其底部，在底部金属薄膜与待测介质界面上第一次激励SPR并首次增强古斯汉欣(GH)位移，之后，反射光到达全反射装置8，经全反射直角棱镜8两次全反射后，以入射角γ进入激励SPR并增强古斯汉欣位移装置7的四边棱镜701的第二工作面到达其底部，并在金属薄膜与待测介质界面上第二次激励SPR并再次增强古斯汉欣位移；经过两次激励SPR并两次增强古斯汉欣位移后的反射光，再次到达偏振光分束器(PBS)及平行入射面振荡(TM)的偏振光波全反射装置6被全反射薄膜604反射到光电位置传感器9上产生传感光电流Ik与Il。传感光电流与参考光电流经电流电压转换器10后分时经过差动放大电路11放大，到达数据处理装置12完成数据处理。
数据处理装置12提供光开关3的控制信号。数据处理装置12处理数据的主要运算之一是求参考光支路电流Im、In对应的电压Vm、Vn之差与传感光支路电流Ik、Il对应的电压Vk、Vl之差的比值S(处理流程见图5)，即S＝[(Vm-Vn)/(Vk-Vl)]。
由于光开关3的光强比约为1:1，因此，经过这种运算后所得到的电压信号差值之比S基本上消除了光电位置传感器9的温(或零)漂和半导体激光器光源强度波动的影响，从而提高了测试系统的灵敏度。
实现上述运算，主要是数据处理装置控制和数据处理流程软件完成的，其数据处理装置控制和数据处理流程图，如图5所示。所述的控制和数据处理流程为：
(1)、上电开始，测量系统初始化；
(2)、判断有测量按键信号吗？否N，则返回继续判断有测量按键信号吗？ 是Y，检测到同步信号的高电平，启动A/D转换命令，采样，记录Vm和Vn。
(3)、判断采样结束了吗？否N，则返回继续检测到同步信号的高电平，启动A/D转换命令，采样，记录Vm和Vn。是Y，检测到同步信号的低电平，启动A/D转换命令，采样，记录Vk和Vl。
(4)、判断采样结束了吗？否N，则返回继续检测到同步信号的低电平，启动A/D转换命令，采样，记录Vk和Vl。是Y，做减法和除法运算：[(Vm-Vn)/(Vk-Vl)]，显示运算后电压信号差值之比的结果，结束本次测试。
(5)、关机结束。
图2所示，一束入射光两次激励SPR并两次增强古斯汉欣位移结构示意图；在一束入射光两次激励SPR并两次增强古斯汉欣位移的结构中，假设四边棱镜和被测介质的折射率分别为n3和n1，金属膜的复折射率为d为金属膜的厚度，λ0为光在真空中的波长。四边棱镜的底部金属薄膜与待测介质界面上第一次激励SPR后的反射光的电场为：
E1r＝r1Ei＝ρ1exp[-iδ1r]Ei (1)
式中，ρ1为振幅，δ1r为相位角，Ei为入射光的电场，r1为反射系数。
具体实施中，四边棱镜701的两个底角α的值应与所测量介质最小折射率对应的共振角的值相等；全反射装置8的直角棱镜斜边的中点与四边棱镜701的D点重合，两者在CD边用光胶粘接，粘接时要保证直角棱镜斜边与CD边严格平行，全反射装置8的斜边与四边棱镜701的DA边夹角γ应满足：
式中，n1为四边棱镜的折射率，ΔθSPR为两次激励SPR对应的共振角之差。
四边棱镜701的DA边上光的透过率为：
式中，n1为四边棱镜的折射率，γ为全反射装置8的直角棱镜斜边与四边棱镜701的DA边的角。
四边棱镜的底部金属薄膜与待测介质界面上第二次激励SPR后的反射光的 电场为：
式中，r为反射系数，Ei入射光的电场，tTM为四边棱镜701的DA边上光的透过率，ρ1为振幅，δ1r为相位角。
由式(1)和(4)可得到两次激励SPR并增强的古斯汉欣位移为：
式中，k1为光在四边棱镜中的波矢，δ1r为相位角，θ1和θ2分别为在四边棱镜的第一和第二工作面到达其底部的第一和第二入射点的入射角，θ1SPR和θ2SPR分别为在四边棱镜底面第一和第二入射点的第一和二次激励SPR时的共振角。
图3所示是偏振光分束器(PBS)及平行入射面振荡(TM)的偏振光波反射装置结构示意图；具体实施中应当注意两点：①作为参考光路的光纤准直器5的自聚焦透镜，在偏振光分束器(PBS)及平行入射面振荡(TM)的偏振光波全反射装置6的直角棱镜601中的粘接位置，应当能保证光束中平行入射面振荡(TM)的偏振光波在PBS膜范围内全部透过；②作为传感光路的光纤准直器4的自聚焦透镜，在偏振光分束器(PBS)及平行入射面振荡(TM)的偏振光波全反射装置6的直角棱镜601中的粘接位置，应当能保证光束中平行入射面振荡(TM)的偏振光波在靠近偏振光分束器(PBS)及平行入射面振荡(TM)的偏振光波全反射膜的交界处(直角棱镜601斜边的中点)全部透过，以高效利用平行入射面振荡(TM)的偏振光波。
在具体实施中，要保证全反射装置6的直角棱镜603的直角面CD与激励SPR并增强古斯汉欣位移装置7的四边棱镜701的第一工作面AB严格平行，这样才能提高入射光在四边棱镜601底部的金属薄膜602与待测液体介质603的界面上激励SPR的效率，从而提高测量的灵敏度；与此同时还应保证经过两次激励SPR并两次增强古斯汉欣位移后的反射光，在偏振光分束器(PBS)及平行入射面振荡(TM)的偏振光波全反射装置6的全反射膜604范围内全反射，并到达光电位置传感器9上产生光电流。
图4所示，根据式(5)仿真得到的两次增强古斯汉欣位移与入射角度的关系 曲线图。从图可以看出，第二次增强的古斯汉欣位移大于第一次增强的古斯汉欣位移，第二次增强古斯汉欣位移的共振角小于第一次增强古斯汉欣位移的共振角，这一点对于构建如图2所示的两次激励SPR并两次增强古斯汉欣位移光学结构，是十分有利的。相对于传统的SPR传感器结构，图2所示的结构有利于极大地提高传感器的分辨率(或灵敏度)，在测量介质微小折射率变化时，若采用光电位置传感器的分辨率优于0.5μm，则传感器的分辨率可以达到1.32×10-8RIU(折射率单位)，优于传统的2.2×10-7RIU。全反射直角棱镜8与激励SPR并增强古斯汉欣位移装置7的四边棱镜701的粘接，一定要保证经过全反射直角棱镜8全反射后的光波保持为平行入射面振荡(TM)的偏振光波，否则不能第二次激励SPR并增强古斯汉欣位移。全反射直角棱镜8传输的光全反射时，反射光中的垂直入射面振荡(TE)的偏振光波和平行入射面振荡(TM)的偏振光波的相位变化不同，两者的相位差Δδ满足：
式中，n是全反射直角棱镜8与空气的相对折射率，θ是入射光在全反射直角棱镜8的直角边处的入射角。由式(6)和实验可知，如果入射光为平行入射面振荡(TM)的偏振光波，那么经过全反射直角棱镜8两次全反射后的反射光依然为平行入射面振荡(TM)的偏振光波，而不是垂直入射面振荡(TE)的偏振光波，这就要求全反射直角棱镜8的入射面和四边棱镜701的入射面严格共面。
上述的一束入射光两次激励SPR并两次增强古斯汉欣位移装置也可由四边棱镜、不同厚度的双层金属薄膜及待测量介质构成的克莱切曼结构和全反射装置组成。
本发明的一种古斯汉欣位移SPR高灵敏度介质折射率检测方法，通过实验得到标准介质所对应的古斯汉欣位移,采用数据处理装置对所测介质与标准介质所对应的古斯-汉欣位移进行比较处理,就可得到被测介质的折射率。
本发明的一种古斯汉欣位移SPR高灵敏度介质折射率检测方法还可实现对液体的温度、浓度、压力等参数的检测。
Claims (2)
1.一种古斯汉欣位移SPR高灵敏度介质折射率检测方法，采用由半导体激光器电源与带尾光纤的半导体激光器构成的激光发射装置、光开关、偏振光分束器及平行入射面振荡的偏振光波全反射装置、激励表面等离子体共振并增强古斯汉欣位移装置、光电转换、信号放大及数据处理装置，通过实验得到标准介质所对应的古斯汉欣位移,采用数据处理装置对所测介质与标准介质所对应的古斯-汉欣位移进行比较处理,得到被测介质的折射率；其特征在于：所述的激励表面等离子体共振并增强古斯汉欣位移装置是一束入射光两次激励表面等离子体共振并两次增强古斯汉欣位移装置，所述的一束入射光两次激励表面等离子体共振并两次增强古斯汉欣位移装置包含四边棱镜、金属薄膜及待测量介质构成的克莱切曼结构和全反射装置；其中：
所述的偏振光分束器及平行入射面振荡的偏振光波全反射装置包含偏振光分光膜、平行入射面振荡的偏振光波全反射膜和两个直角棱镜；
所述的光开关包含输入光纤、传感光支路光纤准直器、参考光支路光纤准直器，输入光纤与带尾光纤的半导体激光器之间通过光纤连接器连接；
所述的光电转换、信号放大及数据处理装置包含光电位置传感器、电流电压转换器、差动放大电路和数据处理装置；
由半导体激光器发出的激光束经光开关后变为参考光与传感光；
参考光经光纤准直器到达偏振光分束器及平行入射面振荡的偏振光波全反射装置，经偏振光分光膜后，平行入射面振荡的偏振光波直接入射到光电位置传感器上产生参考光电流Im与In，该电流提供基准位移，即称零点位移；
传感光束经光纤准直器到达偏振光分束器及平行入射面振荡的偏振光波全反射装置，经偏振光分光膜后，平行入射面振荡的偏振光波垂直激励表面等离子体共振并增强古斯汉欣位移装置的四边棱镜的第一工作面到达其底部，在底部金属薄膜与待测介质界面上第一次激励表面等离子体共振，并首次增强古斯汉欣位移，之后，反射光到达全反射装置，经全反射直角棱镜两次全反射后，以入射角(γ)进入激励表面等离子体共振并增强古斯汉欣位移装置的四边棱镜的第二工作面到达其底部，并在金属薄膜与待测介质界面上第二次激励表面 等离子体共振，并再次增强古斯汉欣位移；
经过两次激励表面等离子体共振并两次增强古斯汉欣位移后的反射光，再次到达偏振光分束器及平行入射面振荡的偏振光波全反射装置被全反射薄膜反射到光电位置传感器上产生传感光电流Ik与Il；
传感光电流与参考光电流分别经电流电压转换器转换为电压后分时经过差动放大电路放大，到达数据处理装置完成数据处理。
2.根据权利要求1所述的一种古斯汉欣位移SPR高灵敏度介质折射率检测方法，其特征在于：所述的数据处理装置提供光开关的控制信号；数据处理装置处理数据的主要运算之一是计算参考光支路电流Im、In对应的电压Vm、Vn之差与传感光支路电流Ik、Il对应的电压Vk、Vl之差的比值S，即：S＝[(Vm-Vn)/(Vk-Vl)]。
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