CN1058787C - 提高表面等离子体波传感器测量精度的方法及其传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于表面等离子体波传感器和技术领域。本发明提出采用P波S波同时入射到Kretschmann装置，再经相位补偿器补偿P波的相位变化，经检偏器后输出接近为零，以此做为测量基点的方法，并以此方法对已有的振幅型传感器稍加改进构成偏振型表面等离子体波传感器，具有结构简单，测量精度高，可广泛适用于物理、化学、生物及机械各领域。
Description
本发明属于各种激发表面等离子体波的传感器的技术领域，特别涉及对用Kretschmann装置构成的表面等离子体波传感器的改进。
近十年来，利用Kretschmann装置激发表面等离子体波的传感器得到广泛重视和研究。现已应用于物理、化学、生物及机械各领域。例如在化学领域中对各种化学成份如H2，CO，NH3及酒进行检测，控制等。这类传感器的结构如图1所示。一般包括：单色光源(通常为激光)11；起偏器12；Kretschmann装置13；光电转换器14，信号检测器15。其工作原理是：P偏振光在一定的条件下可以激发表面等离子体波，这个条件通常用Kretschmann装置实现。在激发表面等离子体波时，由于能量共振转移，其反射光强变小，检测反射光强的变化，可以知道表面等离子体波激发的情况。在这类传感器中，起偏器放置成只允许光源中的P偏振光(P波)通过，Kretschmann装置一般由高折射率的玻璃或晶体做成的棱镜(折射率为n1)并经镀膜组成，一般先镀金属膜，如银、金、钯等(折射率为n2)再镀传感层(或没有)有的还在金属膜或传感膜之间加中间层。激发表面等离子体波要求入射角大于全反射角。反射光特性随入射角的变化一般如图2所示。
图2所示曲线对金属膜层n2及环境(折射率n3)非常敏感。所以在激发表面等离子体波的条件下，外界待测量的很小的变化，可以引起反射光很大的变化，测量反射光强的变化，可以知道待测量的变化。这就是通常的表面等离子体波传感器工作原理。
检测灵敏度一般与最低点反射率、半宽度及待测量引起的曲线平移有关。为了提高测量灵敏度，很多研究者在金属层和传感层之间加中间层。希望通过多层干涉降低最低点反射率。目前的最低点一般若不用多膜干涉技术，则在百分之几至十几；若采用了多膜干涉技术，则在百分之一左右。
这种基于测P波在激发表面等离子体波时振幅变化的各种传感器其最低点反射率很难突0.5％，因此测量精度受到限制。
本发明的目的在于提出一种新的测量表面等离子体波的方法，用以改进已有表面等离子体波传感器的测量精度，并形成一种新型传感器——偏振型表面等离子体波传感器。具有结构简单，测量精度高，可广泛适用于物理、化学、生物及机械各领域。
本发明提出一种提高已有表面等离子体波传感器的测量精度的方法，所说的传感器包括单色光源，起偏器组成的入射光路，Kretschmann装置；接收反射光的光电接收器及信号检测器，其特征在于包括以下措施：
(1)交所说的起偏器的位置进行调整，使入射光的P与S两个偏振方向的光均能通过，射入Kretschmann装置中；
(2)在所说Kretschmann装置与光电接收器之间设置相位补偿器及检偏器；
(3)调整所说相位补偿器及检偏器的相对位置，所说的信号检测器接收的信号为最小，并以此为测量基点。
本发明设计出一种采用上述方法的偏振型表面等离子体波传感器，包括单色光源、起偏器组成的入射光路，使入射光进行全反射的Kretschmann装置，接收反射光的光电转换器和信号检测器，其特征在于所说的起偏器放置成使入射光P，S二个偏振方向的光均通过的位置，还包括在所说Kretschmann装置与光电转换器之间设置相位补偿器及检偏器，检偏器的检偏方向与通过相位补偿器的偏振光方向垂直。
新的方法主要基于P波在激发表面等离子体波时相位也发生明显变化(约300度)而S波由于不能激发表面等离子体波振幅和相位在感兴趣的范围内可以认为基本无变化。用新的原理做成偏振型表面等离于体波传感器。它只需对原来的传感器作不大的改进，而检测分辨率可提高一至二个数量级。具有结构简单，精度高和适应性广的优点。
本发明所述装置如图3所示。它包括单色光源(通常为激光)21；起偏器22；Kretschmann装置23；相位补偿器24：检偏器25；光电转换器26；信号处理器27。工作原理为：单色光经起偏器变为线偏振光。同原来的方案不同，这里起偏器放置的位置和已有技术的起偏器的位置有一夹角，使入射到Kretschmann装置的光既有P波又有S波；由于P波激发表面等离子体波，反射光有相移，S波不激发表面等离子体波，反射光无相移，这样P波和S波经Kretschmann反射后就有相位差θp′，反射光通常是椭园偏振光。相位补偿器，对P波和S波有附加相移θ，调整入射角可使θp′+θ＝mπ(m为整数)，这样从相位补偿器出射的光为线偏振光，经检偏方向同此线偏振光垂直的检偏器后光强降为近似零。当外界参数变化时，由于θp′的改变，检偏器输出的光有相对值非常大的变化，因此提高了检测精度。对本发明的Kretschmann装置镀银膜的实验结果曲线(a)和改进前方案实验结果曲线(b)如图4所示。从实验结果不难发现：本装置最低点光强只有入射光强的万分之3.3，降低到已有技术的1/60，对外界微小变化，相对变化量约为已有技术的60倍，即测量灵敏度可提高一至二个数量级。
采用本发明所述方法对原激发表面等离子体波传感器进行改进，可大大提高其测量精度。本发明所构成的偏振型激发表面等离子体波传感器适用范围同已有技术一样，包括物理、化学、生物和机械等领域。
本发明可采用各种已公开的Kretschmann装置，和棱镜，半园柱，甚至光纤；相位补偿器可用各种晶体、光纤或利用电光、磁光、弹光效应做成。
单色光波长在很大范围内变化不影响本发明实施，同时含P波和S波是本发明特点，但P波和S波的比例在很大范围内变化不影响本发明实施，相位补偿器补偿相位的变化在很大范围内不影响本发明实施，θp′+θ＝mπ的条件可以通过改变入射角，既改变θp′来满足。本发明利用偏振光的检测，所以已有偏振光的检测技术都可利用。如在前面加偏振调制的方法，后面再加可调相位补偿，用自动或手动补偿等，而且检测精度还可以提高。
图1为已有技术的传感器装置结构示意图。
图2为已有技术的传感器的反射率曲线图。
图3为本发明结构示意图。
图4为本发明与已有技术反射强度曲线对比图。
本发明提供一种测量空气中氢气含量的表面等离子波传感器实施例。其基本结构如图3所示。其中Kretschmann装置金属层为Pd-Ni合金，Ni的含量约为6％，合金层纯由钯，镍同时蒸镀得到，合金层厚约为20nm。这个金属层同时又是传感层。工作原理为：Pd吸收和吸附氢气引起光学常数的变化，这可以近似看作图4所示曲线在θ方向平移，由于θ没变，所以检测光强发生变化。镍的加入是为了延长传感器使用寿命。
Claims (2)
1.一种提高表面等离子体波传感器的测量精度的方法，所说的传感器包括单色光源，起偏器组成的入射光路，Kretschmann装置；接收反射光的光电转换器及信号检测器，其特征在于包括以下措施：
(1)将所说的起偏器的位置进行调整，使入射光的P与S两个偏振方向的光均能通过，射入Kretschmann装置中；
(2)在所说Kretschmann装置与光电转换器之间设置相位补偿器及检偏器；
(3)调整所说相位补偿器及检偏器的相对位置到所说的信号检测器接收的信号为最小，并以此为测量基点。
2.一种采用如权利要求1所述方法的偏振型表面等离子体波传感器，包括单色光源、起偏器组成的入射光路，使入射光进行全反射的Kretschmann装置，接收反射光的光电转换器和信号检测器，其特征在于所说的起偏器放置成使入射光P，S二个偏振方向的光均通过的位置，还包括在所说Kretschmann装置与光电转换器之间设置相位补偿器及检偏器，检偏器的检偏方向与通过相位补偿器的偏振光方向垂直。
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