CN105628650B - 一种折射率检测方法及检测装置 - Google Patents

Abstract

一种折射率检测方法及检测装置，涉及光波导传感技术领域。本发明的检测方法为：分别测量参考物和待测物的MOGH位移，然后计算二者的MOGH位移之差，得到MOGH位移差值和因为待测区域的填充物替换产生的折射率差值的函数关系式，进而得到待测物的折射率。本发明的有益效果是，平板波导制作工艺简单、可操作性强、成本较低；可以选择不同的波导材料，设计不同波段的高灵敏度传感器；通过改变磁场的方向可以得到更加灵敏的古斯汉森位移，这种方法同样适用于其他的磁光波导传感器。

Description

一种折射率检测方法及检测装置

技术领域

本发明涉及光波导传感技术领域。

背景技术

折射率探测器是十分常见的一种针对折射率变化的传感器，广泛应用于集成光学、生物传感和化学传感等领域。折射率探测一般采用表面等离子体谐振(surfaceplasmon rensonance,SPR)的方式探测，通过测量反射光的反射率，其精度可以达到10^-4量级。然而在一些探测精度要求很高的领域，这类传感器的灵敏度还不够。

磁光材料是具有磁光(Magneto-Optic,MO)效应的一类功能磁性材料，这类材料在受到磁场或磁矩的作用时，物质的电磁特性会发生变化，因而使通过该物质的光的传输特性也随之发生变化。将具有磁光效应的磁光材料加入SPR结构中可以进一步提高折射率探测器的灵敏度，可达普通SPR传感器的两倍，甚至提高一个量级。

古斯汉森(GH)位移指的是在一束有限宽度的入射光在界面发生全反射时其反射光束强度的最大值与入射光强度的最大值之间的横向偏移。通过增强GH位移可以设计和制作新型高灵敏度的传感器、滤波器、调制器、偏振器和超棱镜。因此将GH位移效应与磁光材料结合在一起，研究磁光波导中的GH位移增强效应，并利用受磁场影响的GH位移(MOGH)设计具有高灵敏度的折射率传感器，为这类传感器的设计和制作的带来了一种崭新的思路。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种高灵敏度的折射率检测方法和检测装置。

本发明提供的折射率检测方法包括下述步骤：

1)在棱镜、参照物、磁光材料和衬底组成的测量结构中，依据此公式测量计算初始n₂₀时的MOGH：

2)将参照物替换为待测物，依据此公式计算待测n₂的MOGH：

3)计算两次测量结果的差值：

4)设置一个函数表达两次测量得到的MOGH值之差ΔL_var与折射率变化Δn₂的关系：

5)反函数得出在测得ΔL_var大小的时候计算Δn₂的表达式：

Δn₂＝f^-1(ΔL_var)

6)计算待测物的折射率：

n₂＝n₂₀+Δn₂＝n₂₀+f^-1(ΔL_var)

前述各步骤中，k₀为真空中的波矢，n₁为棱镜的折射率，θ为入射角，

φ₂为包括待测物的测量结构中反射光与入射光的相位差，为φ₂在y轴正向的分量；W＝k_x-Re(β⁰)-Re(Δβ^rad)，k_x是真空中波矢k₀在x方向的分量，Re(β⁰)为除棱镜外的三层波导的传播常数实部，Re(Δβ^rad)为棱镜耦合系统引起的传播常数差的实部；

同理，φ₂₀为包括参照物的测量结构中反射光与入射光的相位差，为φ₂₀在y轴正向的分量。

进一步的，步骤1)中，棱镜位于最上方，其反射面的下方为参照物和磁光材料，参照物位于磁光材料的上方或者下方。参照物和待测物的厚度为400～1000nm，磁光材料层的厚度为200～900nm。所述磁光材料为Ce:YIG。

本发明还提供一种折射率检测装置，其特征在于，包括衬底、磁光材料层、待测区域层和棱镜，衬底和棱镜的反射面之间为重叠的磁光材料层和待测区域层。

进一步的，待测区域层设置在磁光材料层的上方。待测区域层的厚度为400～1000nm，磁光材料层的厚度为200～900nm。

本发明的有益效果是，

1.平板波导制作工艺简单、可操作性强、成本较低；

2.可以选择不同的波导材料，设计不同波段的高灵敏度传感器；

3.通过改变磁场的方向可以得到更加灵敏的古斯汉森位移，这种方法同样适用于其他的磁光波导传感器。

附图说明

图1是本发明采用的测量结构的示意图。1棱镜，2待测区域层，3磁光材料层，4衬底。图中L表示MOGH位移。

图2为参考系中测量示意图。白色箭头表示入射光和出射光的方向。

具体实施方式

本发明提出了一种测量折射率的新机理，采用的技术方案是将磁光材料引入多层介质和金属波导中，利用对材料参数非常敏感的古斯汉森光束侧位移去探测折射率的改变。进一步的，可以根据所加磁场方向的不同得到古斯汉森位移的变化与入射角的关系曲线，而这一变化值相对于古斯汉森位移本身对折射率的灵敏度更加高，可以实现超灵敏的生物和化学传感器。

参见图1、2。图2中的y方向(正向)即图1中垂直于纸面向外的方向。磁场方向平行于y轴。

本发明的测量结构为：在棱镜的反射面下方设置待测区域、磁光材料层和衬底，待测区域可以由参考物和待测物填充，或者说，在棱镜的反射面下方设置参考物、磁光材料层和衬底，在测量时参考物可以替换为待测物。待测物可以在磁光材料层上方，也可以在磁光材料层下方，即衬底和磁光材料层之间。

测量步骤为：分别测量参考物和待测物的MOGH位移，然后计算二者的MOGH位移之差，得到MOGH位移差值和因为待测区域的填充物替换产生的折射率差值的函数关系式，进而得到待测物的折射率。

具体的实施方式如下：

一种折射率检测方法包括下述步骤：

1)在棱镜、参照物、磁光材料和衬底组成的测量结构中，依据此公式测量计算初始n₂₀时的MOGH：

2)将参照物替换为待测物，依据此公式计算待测n₂的MOGH：

3)计算两次测量结果的差值：

4)设置一个函数表达两次测量得到的MOGH值之差ΔL_var与折射率变化Δn₂的关系：

5)反函数得出在测得ΔL_var大小的时候计算Δn₂的表达式：

Δn₂＝f^-1(ΔL_var)

6)计算待测物的折射率：

n₂＝n₂₀+Δn₂＝n₂₀+f^-1(ΔL_var)

前述各步骤中，k₀为真空中的波矢，n₁为棱镜的折射率，θ为入射角，

φ₂为包括待测物的测量结构中反射光与入射光的相位差，为φ₂在y轴正向的分量；W＝k_x-Re(β⁰)-Re(Δβ^rad)，k_x是真空中波矢k₀在x方向的分量，Re(β⁰)为除棱镜外的三层波导的传播常数实部，Re(Δβ^rad)为棱镜耦合系统引起的传播常数差的实部；

同理，φ₂₀为包括参照物的测量结构中反射光与入射光的相位差，为φ₂₀在y轴正向的分量。

步骤1)中，棱镜位于最上方，其反射面的下方为参照物和磁光材料，参照物位于磁光材料的上方或者下方。参照物和待测物的厚度为400～1000nm，磁光材料层的厚度为200～900nm。所述磁光材料为Ce:YIG。

本发明的折射率检测装置包括衬底、磁光材料层、待测区域层和棱镜，衬底和棱镜的反射面之间为重叠的磁光材料层和待测区域层。特别的，待测区域层设置在磁光材料层的上方。待测区域层的厚度为400～1000nm，磁光材料层的厚度为200～900nm。

Claims (4)

1.一种折射率检测方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)在棱镜、参照物、磁光材料和衬底组成的测量结构中，依据此公式测量计算初始n₂₀时的MOGH：

2)将参照物替换为待测物，依据此公式计算待测n₂的MOGH：

3)计算两次测量结果的差值：

4)设置一个函数表达两次测量得到的MOGH值之差ΔL_var与折射率变化Δn₂的关系：

令

5)反函数得出在测得ΔL_var大小的时候计算Δn₂的表达式：

Δn₂＝f^-1(ΔL_var)

6)计算待测物的折射率：

n₂＝n₂₀+Δn₂＝n₂₀+f^-1(ΔL_var)

前述各步骤中，k₀为真空中的波矢，n₁为棱镜的折射率，θ为入射角，

φ₂为包括待测物的测量结构中反射光与入射光的相位差，为φ₂在y轴正向的分量；W＝k_x-Re(β⁰)-Re(Δβ^rad)，k_x是真空中波矢k₀在x方向的分量，Re(β⁰)为除棱镜外的三层波导的传播常数实部，Re(Δβ^rad)为棱镜耦合系统引起的传播常数差的实部；

同理，φ₂₀为包括参照物的测量结构中反射光与入射光的相位差，为φ₂₀在y轴正向的分量。

2.如权利要求1所述的折射率检测方法，其特征在于，步骤1)中，棱镜位于最上方，其反射面的下方为参照物和磁光材料，参照物位于磁光材料的上方或者下方。

3.如权利要求1所述的折射率检测方法，其特征在于，参照物和待测物的厚度为400～1000nm，磁光材料层的厚度为200～900nm。

4.如权利要求1所述的折射率检测方法，其特征在于，所述磁光材料为Ce:YIG。