CN105628651A - 基于表面波倏逝场的痕量液体或气体折射率测量装置 - Google Patents

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张克
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
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Abstract

本发明属于导波光学技术领域，具体为一种基于表面波倏逝场强度变化的痕量液体或气体折射率测量装置。本发明的测量装置包括：测量光束，半柱形耦合透镜，波导衬底层，导流层接入口，导流层，导流层接出口，玻璃基底，周期性介质膜层，波导覆盖层，锥形光纤探头，传导光纤，光电测量系统。当导流层内被导入不同的待测液体或气体时，在波导覆盖层中的表面波倏逝场强度将会在较大范围内呈现单调变化，这个变化可由锥形光纤探头及传导光纤传入光电测量系统测量得到。采用本发明的装置可以进行折射率的精确测量及传感应用。

Description

基于表面波倏逝场的痕量液体或气体折射率测量装置
技术领域
本发明属于导波光学技术领域，具体涉及一种痕量液体或气体折射率测量装置。
背景技术
材料的折射率的精密测量，以及基于折射率变化的传感技术，在许多方面，尤其是生物技术中有很大的应用。近年来，基于Bloch表面波（BlochSurfaceWave，BSW）的测量及传感技术的研究日益受到重视。BSW是存在于周期性多层介质膜堆中的电磁波，基于光波导效应，光场被限制在周期性的膜层中产生局域化增强，并对其表面的倏逝波场也产生相应增强作用。这种倏逝场会随着光波导的结构参数的变化而发生很大的变化。因此可以根据这种倏逝场的变化来测量或传感光波导的参数变化情况。
目前，基于BSW的应用，主要是基于固定的波导结构，通过测量耦合波的反射率随入射角的变化或入射光的波长变化来获得相应的位于平面波导外的与周期性多层模接触的材料的参数。由于每次测量都需要进行测量系统的光路对准（入射角调节），因而整个测量系统结构非常复杂，并用存在大量的系统误差和不稳定因素。因此，研究一种结构稳定，测量灵敏的方法就成为迫切的需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量稳定性好、准确性高、速度快的痕量液体或气体折射率测量装置。
本发明提供的痕量液体或气体折射率测量装置，是基于表面波倏逝场技术的。其中，关键在于构造一个复合平面光波导结构，通过外加耦合透镜，将测量光束导入平面光波导，形成稳定的Bloch表面波导模场。再通过锥形光纤探头，将表面波场耦合出平面波导，通过传导光纤将光导入测量系统。当波导参数发生变化时，将导致表面波的倏逝场的变化。
有别于常规的基于Bloch表面波的测量和传感系统，本发明的特点在于通过波导内部间隙容纳待测量物质，将待测量液体或气体作为复合光波导的一部分。而测量对象是测量波导表面波的倏逝场，而非常规的测量入射光的反射率随入射角的变化，或反射率峰值随入射光波长的变化。因此，所构造的平面光波导系统在测量校准前进行一次调准光路，后续测量无需任何部件运动。
本发明设计的基于表面波倏逝场强度变化的痕量液体或气体折射率测量装置，其结构如图1所示，它包括：一个复合平面光波导，棱镜耦合机构，表面波倏逝场测量机构；其中，所述复合平面光波导由波导衬底层3、导流层5、玻璃基底7、周期性介质膜层8、波导覆盖层9从下往上依次复合构成；所述棱镜耦合机构由测量光束1及半柱形耦合透镜2构成，该半柱形耦合透镜2与波导衬底层3配合连接；所述表面波倏逝场测量机构由锥形光纤探头10、传导光纤11及光电测量系统12依次连接构成；导流层5有接入口4和接出口6，待测液体或气体经由接入口4进入波导结构内，由接出口6导出。
本发明中，所述测量光束1为连续或脉冲激光光束。
本发明中，所述的半柱形耦合透镜2可采用高折射率玻璃材料（折射率大于1.52），用于将测量光束以倏逝场的形式耦合入复合平面光波导中。
本发明中，所述波导衬底层3可采用透明低折射率的材料，如石英（SiO2）。
本发明中，所述导流层5为一间距很窄上下平行的空隙，用于容纳待测液体或气体。
本发明中，所述导流层接入口4及导流层接出口6为待测量液体或气体的导入导出口，可以采用密闭式，也可采用开放式。密闭式用于进行主动的导入，而开放式则可用于传感测量。
本发明中，所述玻璃基底7为一薄玻璃片。
本发明中，所述周期性介质膜层8包括高/低折射率材料交替的周期薄膜层及其附加层，材料为介质，如氧化钽/石英交替的周期结构薄膜层，或聚合物材料交替的周期结构薄膜层。
本发明中，所述波导覆盖层9的材料可以采用玻璃或聚合物材料，其折射率低于周期性介质膜层8的折射率。
本发明中，所述锥形光纤探头10可采用多模或单模光纤制备，折射率高于波导覆盖层9的折射率。
本发明中，所述传导光纤11为一多模或单模光纤，用于传输从光纤探头10耦合出的光。
本发明中，所述光电测量系统12为一套光电转换及测量显示系统，包括光电倍增管、数模转换，、数据采集，及电脑等，用于测量和分析由传导光纤11传输而来的光强。
本发明优点：
1、本发明的特点，在于通过波导内部间隙容纳待测量物质，将待测量液体或气体作为复合光波导的一部分。而测量对象是测量波导表面波的倏逝场，而非常规的测量入射光的反射率或反射率峰值波长的变化。所构造的平面光波导系统在测量校准前进行一次调准光路，后续测量无需任何部件运动。因此，测量时只需要测量倏逝场强的变化，而不需要转动系统以寻找反射的最小值。测量不存在部件运动，因而速度快而且稳定；
2、根据所测量的液体或气体的折射率范围，所设计的平面波导结构具有一个特定的表面波模式，随着待测量材料的不同，其表面波场变化可达到数个数量级，而导模折射率变化很小，即表面波模式稳定。因此，测量的稳定性很好。详见后续实例；
3、根据表面波模场的分析，所测的表面波强度在一定范围内随待测材料的不同而呈现调变化，因而有利于定量且准确的测量，同时也有利于进行定量传感。
附图说明
图1为基于表面波倏逝场的痕量液体或气体折射率测量装置示意图。
图2为复合平面光导波中表面波（折射率n=1.500014）的模场横向分布。其中，黑色三角标表示在波导衬底层3中的模场分布，红色圆点表示在复合波导层中的模场分布，绿色倒三角标表示在波导覆盖层9中的模场分布。
图3为表面波（折射率n=1.500014）的模场在复合平面波导内的周期性介质膜层及波导覆盖层边界处的模场的峰值随导流层中的介质的折射率的变化关系。其中，黑色方点表示导模在周期性介质膜层中的模场峰值，红色三角形表示模场在波导覆盖层边界处的模场峰值。
图中标号：1为测量光束，2为半柱形耦合透镜，3为波导衬底层，4为导流层，5的接入口，5为导流层，6为导流层5的接出口，7为玻璃基底，8为周期性介质膜层，9为波导覆盖层，10为锥形光纤探头，11为传导光纤，12为光电测量系统。
具体实施方式
根据图1所示的结构，选定一个激光工作波长如：632.8nm氦-氖激光光源，选择一系列材料参数以构造复合平面光波导，在不加入半柱形耦合透镜和锥形光纤探头的情况下，设计一个具有特定波导波模式的Bloch表面波。所设计的平面光波导结构为：波导衬底层（3）-导流层5-玻璃基底7-周期性介质膜层8-波导覆盖层9，相应结构的材料的参数取为：
波导衬底层3：石英材料，折射率1.45，厚度取3μm;导流层5：以水为例：折射率1.33，厚度取为：2μm;玻璃基底7：玻璃，折射率1.52，厚度50μm;周期性介质膜层8：5个周期的氧化钽/石英1/4λ波堆，折射率分别为：2.5/1.5，外加一层氧化钽，另再加一层过渡层，折射率为2.1，厚度也为1/4λ。波导覆盖层9为一保护层，取为聚合物，折射率为1.5，厚度6μm。
本发明所设计的波导工作模式为TE波，偏振面垂直于图平面（XZ）。利用多层介质膜的传输矩阵（Transmissionmatrix）方法，可以计算出所设计的复合平面光波导中的导模谱及各导模的模场的横向空间分布。计算中取波导衬底层3与导流层5的界面处的场强为单位强度。计算发现，存在一个由上述结构参数构成的复合平面光波导的特征导模（折射率n=1.500014），其模场具有很强的表面局域性，其主要模场幅度被压缩在波导的周期性介质膜层8与波导覆盖层9的交界面上。因此是一种典型的表面波图2显示了该特征导模的模场分布。由图2可见，在波导覆盖层9中的模场呈现指数衰减，此即为表面倏逝波。从图上的衰减趋势来看，该倏逝波相对于其他导模具有很深的穿透深度（1/e距离）。计算表明，该表面波的倏逝波的穿透深度稳定在15微米。
图3显示了上述表面波的模场峰值（表面处及倏逝场边界处）随导流层5中的介质的折射率的变化关系。可见，这个变化关系是单调的，因此在定标的情况下，可以作为传感信号以显示导流层5中的折射率变化。同时，上述变化的幅度很大家，在导流层5折射率从1变化到1.4的范围内，模场幅度变化达6个数量级。因此，其折射率的测量灵敏度可达4×10- 7RIU，可进行液体或气体的折射率参数的精密测量。
利用棱镜耦合法可以将测量光束经波导衬底层3耦合入复合平面光波导，并在周期性介质膜层8的表面上集中形成表面波。而由高折射率（高于波导覆盖层9）锥形光纤探头10可以将波导覆盖层9中的倏逝场耦合成传播场，并由传导光纤11传送至光电测量系统12进行测量和分析。
计算表面，该表面波的模折射率在导流层的折射率的整个变化范围内几乎保持不变。可见以该表面波作为监测对象，可以非常稳定地感知导流层的折射率变化。

Claims (10)

1.一种基于表面波倏逝场强度变化的痕量液体或气体折射率测量装置，其特征在于包括：一个复合平面光波导、棱镜耦合机构，、表面波倏逝场测量机构；其中，所述复合平面光波导由波导衬底层（3）、导流层（5）、玻璃基底（7）、周期性介质膜层（8）、波导覆盖层（9）从下往上依次复合构成；所述棱镜耦合机构由测量光束（1）及半柱形耦合透镜（2）构成，该半柱形耦合透镜（2）与波导衬底层（3）配合连接；所述表面波倏逝场测量机构由锥形光纤探头（10）、传导光纤（11）及光电测量系统（12）依次连接构成；导流层（5）有接入口（4）和接出口（6），待测液体或气体经由接入口（4）进入波导结构内，由接出口（6）导出。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述测量光束（1）为连续或脉冲激光光束。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述半柱形耦合透镜（2）材料为高折射率玻璃，用于将测量光束以倏逝场的形式耦合入与其相邻的波导衬底层（3）。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述波导衬底层（3）采用透明低折射率材料。
5.根据权利要求1、2或4所述的装置，其特征在于：所述导流层（5）为一上下方平行的空隙，用于容纳待测液体或气体。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述的周期性介质膜层（8）为高、低折射率材料交替的周期薄膜层及其附加层，采用介质材料，如氧化钽/石英交替的周期结构薄膜层，或聚合物材料交替的周期结构薄膜层。
7.根据权利要求1、2、4或6所述的装置，其特征在于：所述的波导覆盖层（9）材料采用玻璃或聚合物材料，其折射率低于周期性介质膜层（8）的折射率。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述的锥形光纤探头（10）采用多模或单模光纤制备，其折射率高于波导覆盖层（9）的折射率。
9.根据权利要求1、2、4、6或8所述的装置，其特征在于：所述的传导光纤（11）为一多模或单模光纤，用于传输从光纤探头（10）耦合出的光。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于：所述的光电测量系统（12）为一套光电转换及测量显示系统，包括光电倍增管、数模转换、数据采集及电脑，用于测量和分析由传导光纤（11）传输而来的光强。
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