CN106247953A - 一种同时测量相位和古斯‑汉欣位移的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明一种同时测量相位和古斯‑汉欣位移的方法及装置，特点是激光束通过偏振分光器后分成两束光TM和TE光，两光束分别通过两个不同驱动频率的声光调制器，产生的两个衍射光进入合光器合成两束光，一束光在光电探测器光敏面上发生干涉形成参考信号；另一束光经过克莱切曼结构后再经过分光器形成两束光，一束光在光电探测器光敏面上发生干涉形成相位测量信号，测量信号和参考信号经带通滤波、相位解调及数据采集和处理后，获得相位的测量值；另一束光经过检偏器，通过调整检偏器先后得到TE和TM光，两光点的位置经数据采集和处理后，得到古斯‑汉欣位移值；本装置能实现对折射率快速变化介质的高精度测量。
Description
技术领域
本发明属于物理光学领域，是一种基于光外差干涉原理，在发生表面等离子共振(surface plasmon resonance(SPR))效应时，利用共线光外差干涉技术，同时测量相位和古斯-汉欣位移方法及装置。
背景技术
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效应的光学传感器已被广泛应用于液态物质检测，如生化、环保监测、药品研制和食品安全等领域，并在基因突变检测、生物分子反应动力学测定以及工业废水废气监控等领域取得重大进展。基于SPR的棱镜型传感器调制和检测信号的方法有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，因此基于光强调制的方法测量样品折射率的精度会受到很大的限制。在先技术1[张志伟，温廷敦，武志芳，赵耀霞，王颖，谭丰菊.一种棱镜SPR高灵敏度光纤液体折射率传感器,中国发明专利，ZL200910073960.X]是一种基于强度调制的棱镜SPR传感器，这种传感器是在发生SPR效应时，通过测量光强来获得介质的折射率，其测量灵敏度较低(相对发生SPR效应时测量相位或古斯-汉欣位移)；在先技术2[YANG Xiao-Yan,LIU De-Ming,XIE Wen-Chong,LI Chun-Fang.High sensitivity sensor based on surface plasmon resonanceenhanced lateral 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GH(古斯-汉欣)位移的棱镜SPR传感方法；这种传感方法只能测量GH位移，而不能测量相位，且没能给出具体测量GH位移的方法。
发明内容
本发明目的是克服现有技术的不足和所要解决的技术问题，提供一种利用共线光外差干涉技术的同时测量相位和GH位移的方法及装置，用于对液态物质检测时，提高检测的测量精度，及实现对快速折射率变化介质的测量。
为了实现上述目的，本发明技术方案是：
一种同时测量相位和古斯-汉欣位移的方法，其特征在于：激光束通过偏振分光器后分成TM(光矢量振动方向平行于入射面)光和TE(光矢量振动方向垂直于入射面)光，两光束分别通过两个不同驱动频率的声光调制器，产生的两个+1级衍射光进入合光器合成两束光，一束光在光电探测器光敏面上发生干涉形成相位参考信号；另一束光经过克莱切曼结构后再经过分光器形成两束光，其中：一束光在光电探测器光敏面上发生干涉形成相位测量信号，相位测量信号和参考信号经带通滤波、相位解调及数据采集和处理后，获得相位的测量值；另一束光经过检偏器，通过调整检偏器先后得到TE和TM光，两光点的位置经数据采集和处理后，得到古斯-汉欣位移测量值。
一种同时测量相位和古斯-汉欣位移装置，其特征在于：包括产生两束相互垂直的正交偏振光装置、相位参考装置、相位和GH位移测量装置、以及数据采集和处理装置；所述的相位和GH位移测量装置，是一种能同时测量TM和TE反射光的相位和TM反射光的GH位移装置，所述的能同时测量TM和TE反射光的相位和TM反射光的GH位移装置，由棱镜、金属薄膜及待测量介质构成的克莱切曼结构、一个分光器、两个检偏器、一个双凸透镜、一个光电转换与电压放大器和一个PSD(光电位置传感器)构成；其中：
●所述的产生两束相互垂直的正交偏振光装置，包含一个具有尾纤的半导体激光器、一个输入为单模光纤输出为两个保偏光纤准直器的偏振光分光器、两个保偏光纤聚焦器、两个保偏光纤准直器、两个驱动频率分别为f1和f2的声光调制器以及一个合光器；
●所述的相位参考装置，包含一个斜面未镀金属薄膜的棱镜、一个检偏器、一个双凸透镜和一个光电转换与电压放大器；
●所述的数据采集和处理装置，包含带通滤波及相位解调电路(或者锁相放大器)、一个GH位移数据采集卡和一套计算机系统。
●由半导体激光器发出的激光束经单模光纤耦合后，进入偏振分束器被分成两束线偏振光：一束为TM光，另一束为TE光；TM光通过保偏光纤准直器进入驱动频率为f1的声光调制器、TE光通过保偏光纤准直器进入驱动频率为f2的声光调制器后，分别产生两个0级衍射光和两个+1级衍射光，驱动频率为f2的声光调制器的+1级衍射光经保偏光纤聚焦器和驱动频率为f1的声光调制器的+1级衍射光经保偏光纤聚焦器后,再分别经过保偏光纤准直器0进入合光器，其纵向光束通过斜面未镀金属薄膜棱镜的全反射之后，通过检偏器和双凸透镜汇聚在光电转换与电压放大器的光敏面上发生干涉，并转换为拍频为中频差的电信号，所述中频差的电信号作为系统的相位参考信号，送入带通滤波及相位解调电路(或者锁相放大器)；
其横向光束经过棱镜、金属薄膜及待测量介质构成的克莱切曼结构后，反射光束进入分光器，其纵向光束经过检偏器和双凸透镜汇聚在光电转换与电压放大器的光敏面上发生干涉，并转换为拍频为中频差的电信号，所述中频差的电信号作为系统的相位测量信号，送入带通滤波及相位解调电路(或者锁相放大器)；
通过比较相位的测量信号和参考信号，获得相位的测量值；
通过调整检偏器，使分光器的横向光束通过检偏器得到TE光，所述TE光到达PSD之后，其光点的位置信号经过GH位移数据采集卡送入数据处理装置之后，再通过调整检偏器，使分光器的横向光束通过其后得到TM光，所述TM光到达PSD之后，其光点的位置信号经过GH位移数据采集卡送入数据处理装置；
经过数据处理装置对TE光和TM光的光点位置信号的处理，获得GH位移测量值。
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：
本发明能同时测量相位和GH位移；利用双声光调制器获得了相互垂直的两束正交偏振光，消除声光调制器光强调制的影响，采用相位参考光路，降低了环境因素引起的共模噪声干扰，以实现高精度的测量；其双声光调制器的拍频为中频差，可实现对快速折射率变化介质的测量。
附图说明
图1是一种同时测量相位和GH位移装置的原理示意图；
图2是等腰棱镜构成的三层克莱切曼结构示意图；
图3是反射光的相位变化与入射角度的关系曲线图；
图4是相位和GH位移与入射角度的关系曲线图；
图5是菱形棱镜构成的三层克莱切曼结构示意图；
图6是数据采集和数据处理流程图。
图中：半导体激光器1，偏振分束器2，保偏光纤准直器3、5、9和10，声光调制器4和6，保偏光纤聚焦器7和8，合光器11，斜面未镀金属薄膜的棱镜12，检偏器13、19和22，双凸透镜14和20，光电转换与电压放大器15和21，带通滤波及相位解调电路(或者锁相放大器)16，克莱切曼结构17，分光器18，光电位置传感器23，GH位移数据采集卡24，数据处理装置25。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明具体实施方法。
本发明一种同时测量相位和古斯-汉欣位移的方法，其特征在于：激光束通过偏振分光器后分成TM光和TE光，两光束分别通过两个不同驱动频率的声光调制器，产生的两个+1级衍射光进入合光器合成两束光，一束光在光电探测器光敏面上发生干涉形成相位参考信号；另一束光经过克莱切曼结构后再经过分光器形成两束光，其中：一束光在光电探测器光敏面上发生干涉形成相位测量信号，相位测量信号和参考信号经带通滤波、相位解调及数据采集和处理后，获得相位的测量值；另一束光经过检偏器，通过调整检偏器先后得到TE和TM光，两光点的位置经数据采集和处理后，得到古斯-汉欣位移测量值。
图1所示，本发明一种同时测量相位和古斯-汉欣位移装置，包括产生两束相互垂直的正交偏振光装置、相位参考装置、相位与GH位移测量装置、以及数据采集和处理装置；所述的相位和GH位移测量装置，是一种能同时测量TM和TE反射光的相位和TM反射光的GH位移装置，所述的能同时测量TM和TE反射光的相位和TM反射光的GH位移装置，由棱镜1701、金属薄膜1702及待测量介质1703构成的克莱切曼结构17、一个分光器18、两个检偏器19和22、一个双凸透镜20、一个光电转换与电压放大器21和一个高分辨率PSD 23构成；其中：
●所述的产生两束相互垂直的正交偏振光装置，包含一个具有尾纤的半导体激光器1、一个输入为单模光纤输出为两个保偏光纤准直器3和5的偏振光分光器2、两个保偏光纤聚焦器7和8、两个保偏光纤准直器9和10、两个驱动频率分别为f1和f2的声光调制器4和6以及一个合光器11；
●所述的相位参考装置，包含一个斜面未镀金属薄膜的棱镜12、一个检偏器13、一个双凸透镜14和一个光电转换与电压放大器15；
●所述的数据采集和处理装置，包含带通滤波及相位解调电路(或者锁相放大器)16、一个GH位移数据采集卡24和一套计算机系统25。
●由半导体激光器1发出的激光束经单模光纤耦合后，进入偏振分束器2被分成两束线偏振光：一束为TM光，另一束为TE光。TM光通过保偏光纤准直器3进入驱动频率为f1的声光调制器4、TE光通过保偏光纤准直器5进入驱动频率为f2的声光调制器6后，分别产生两个0级衍射光和两个+1级衍射光，驱动频率为f2的声光调制器6的+1级衍射光经保偏光纤聚焦器7和驱动频率为f1的声光调制器4的+1级衍射光经保偏光纤聚焦器8后,再分别经过保偏光纤准直器9和10进入合光器11，其纵向光束通过斜面未镀金属薄膜棱镜12的全反射之后，通过检偏器13和双凸透镜14汇聚在光电转换与电压放大器15的光敏面上发生干涉，并转换为拍频为中频差的电信号，所述中频差的电信号作为系统的相位参考信号，送入带通滤波及相位解调电路(或者锁相放大器)16；
其横向光束经过棱镜1701、金属薄膜1702及待测量介质1703构成的克莱切曼结构17后，反射光束进入分光器18，其纵向光束经过检偏器19和双凸透镜20汇聚在光电转换与电压放大器21的光敏面上发生干涉，并转换为拍频为中频差的电信号，所述中频差的电信号作为系统的相位测量信号，送入带通滤波及相位解调电路(或者锁相放大器)16；
通过比较相位的测量信号和参考信号，获得相位的测量值；
通过调整检偏器22，使分光器18的横向光束通过检偏器22得到TE光，所述TE光到达PSD 23之后，其光点的位置信号经过GH位移数据采集卡24送入数据处理装置25之后，再通过调整检偏器22，使分光器18的横向光束通过其后得到TM光，所述TM光到达PSD 23之后，其光点的位置信号经过GH位移数据采集卡24送入数据处理装置25。经过数据处理装置25对TE光与TM光的光点位置信号的处理，获得GH位移测量值。
具体实施中，检偏器13和19的消光比大于10000:1，检偏器22采用高消光比(大于100000:1)的检偏器；带通滤波及相位解调电路16由两个中心频率为拍频的带通滤波器和一个相位解调电路组成；斜面未镀金属薄膜棱镜12和克莱切曼结构17的棱镜1701的两个底角应一致，另外，应尽量使相位参考光路和测量光路具有对成性，以利于抑制光束漂移及环境因素产生的共模噪声对测量结果的影响，提高测量的准确度。
图2所示，是等腰棱镜构成的三层克莱切曼结构示意图，其中s是横向束位移，d是金属膜厚度，Δ是在棱镜和金膜界面的古斯-汉欣位移；在三层克莱切曼结构中，假设等腰棱镜和被测介质的折射率分别为n3和n1，金属薄膜的复数折射率为d为金属薄膜的厚度，λ0为光在真空中的波长，θ1为光在等腰棱镜和金属薄膜界面上的入射角，θ3为光在金属薄膜和被测介质界面上的折射角，那么光的总反射系数r1可以写为：
式中:r12和r23分别是等腰棱镜和金属薄膜构成的界面以及金属薄膜和被测介质构成的界面的反射系数，δ1r是反射光的相位变化量，i为虚数单位，ρ1为反射系数模值，k2x为波矢k在金膜中的x轴分量。
对于TM光有
对于TE光有
公式(2)和(3)中:k2x＝u2+iv2，k＝2π/λ是光在真空中的波数,u2和v2为实量，ρ12和ρ23分别是等腰棱镜和金属薄膜构成的界面以及金属薄膜和被测介质构成的界面的反射系数的模值，和分别是等腰棱镜和金属薄膜构成的界面以及金属薄膜和被测介质构成的界面的反射系数的辐角，ε1、ε2和ε3分别为等腰棱镜、金属薄膜和被测介质的介电常数。
从公式(1)和(2)可得到反射光的相位变化量δ1r为：
式中:ρ12、ρ23、及u2和v2同公式(3)，d为金属薄膜的厚度。
根据稳态相位理论，在SPR时，可得到横向光束位移的表达式为：
式中:s是横向束位移，Δ是在棱镜和金膜界面的GH位移，θ是入射角，k1是光在棱镜中的波矢，δ1r是反射光的相位变化量，θSPR是SPR时的共振射角。
从公式(4)和(5)中可以看出，相位和GH位移与折射率之间具有一定的关系。
具体实施中，三层克莱切曼结构17及测量TM和TE反射光的相位和TM反射光的GH位移装置，固定在一个可顺时针或逆时针旋转的高精度旋转台上，光在棱镜1701上的入射点在旋转台的旋转轴上,分光器18的分光比为70:30(反射光强：透射光强),TM和TE的入射光束直径为0.2mm。就同一种介质而言，对于一个共振角，存在一个较窄的折射率范围，在这个范围内，相位和GH位移与折射率之间有近似的线性关系；在金属膜厚度一定的情况下，对同一种介质而言，不同折射率具有不同的共振角，而且共振角和折射率之间存在近似的线性关系。
因此，等腰棱镜的两个底角，应取为共振角，这样可保证相位和GH位移与介质折射率之间满足线性关系，入射光垂直等腰棱镜的入射面入射时，那么反射光将垂直等腰棱镜的出射面出射；同时在小的角度范围改变入射角，可改变SPR传感器的工作范围，而且也可保证反射光近似垂直棱镜的出射面出射。
图3所示，是根据公式(4)得到的相位变化和入射角度的关系曲线图，其中，虚线是TE光的曲线，实线是TM光的曲线；从图3可以看出，在共振角附近，TM光的相位发生了剧烈的变化，TE光的相位没有发生剧烈的变化。具体实施中，可通过同时产生TM光和TE光，并让两者同时激励SPR，然后通过比较两者反射光的相位变化得到相应的相位变化值，再根据相位变化与被测介质折射率的对应关系，获得介质折射率的值。结合图3和公式(5)可知，在共振角附近，TM光的古斯-汉欣位移得到极大的增强，而TE光的古斯-汉欣位移没有得到极大的增强。
具体实施中，可通过同时产生TM光和TE光，并让两者同时激励SPR，然后通过比较两者反射光的GH位移得到相应的GH位移值，再根据GH位移与被测介质折射率的对应关系，获得介质折射率的值。
图4所示，是根据公式(4)和(5)得到的相位和GH位移与入射角度的关系曲线图，其中，虚线是相位变化曲线，实线是GH位移曲线；从图4可以看出，在共振角附近，TM光的相位发生了剧烈的变化，因此TM光反射光产生了较大的GH位移。由此可见，同时测量相位和GH位移，对于研究相位调制SPR高灵敏度传感器，对于研究SPR时GH位移的增强机理，具有十分重要的意义。
图5所示，是菱形棱镜构成的三层克莱切曼结构示意图，其中s是横向束位移，d是金属膜厚度，Δ是在棱镜和金膜界面的GH位移；基于图2中给出的原因，菱形棱镜的两个锐角，应取为共振角，这样可保证相位和GH位移与折射率之间满足线性关系，入射光垂直菱形棱镜的入射面入射时，反射光将垂直菱形棱镜的出射面出射；同时通过在小的角度范围内改变入射角，可改变SPR传感器的工作范围，而且可保证反射光近似垂直菱形棱镜的出射面出射。对于一束入射光两次激励SPR，除其反射光和入射光具有相同的方向外，两次增强的GH位移具有累加性。
图6所示，是数据采集和数据处理流程图，数据采集和处理主要由计算机系统完成，基于该流程图的数据采集和处理程序，以及标准介质的相位和GH欣位移与折射率对应的数据库安装于计算机中。
具体实施中，对于相位先采集参考光路的相位再采集测量光路的相位值在数据处理时，主要是计算和的差值；对于GH位移，先采集TE光在PSD(采用高分辨率的光电位置传感器)两端电流Is1和Is2，再采集TM光在PSD两端电流Ip1和Ip2，在数据处理时，主要是计算(Is2-Is1)/(Is2+Is1)，即TE光的位置xs，以及计算(Ip2-Ip1)/(Ip2+Ip1),即TM光的位置xp,然后计算xp和xs的差值，就得到测量的GH位移值。
本发明一种同时测量相位和古斯-汉欣位移装置，测量的数据与标准介质所对应的数据进行比较,就可得到被测介质的折射率，其分辨率可优于2×10-7/RIU(每单位折射率)。由于溶液温度、或压力、或浓度的变化，会引起溶液折射率的变化，因此本发明一种同时测量相位和古斯-汉欣位移装置，还可实现对溶液的温度、浓度、压力参数的检测。
Claims (6)
1.一种同时测量相位和古斯-汉欣位移的方法，其特征在于：激光束通过偏振分光器后分成TM光和TE光，两光束分别通过两个不同驱动频率的声光调制器，产生的两个+1级衍射光进入合光器合成两束光，一束光在光电探测器光敏面上发生干涉形成相位参考信号；另一束光经过克莱切曼结构后再经过分光器形成两束光，其中：一束光在光电探测器光敏面上发生干涉形成相位测量信号，相位测量信号和参考信号经带通滤波、相位解调及数据采集和处理后，获得相位的测量值；另一束光经过检偏器，通过调整检偏器先后得到TE和TM光，两光点的位置经数据采集和处理后，得到古斯-汉欣位移测量值。
2.一种同时测量相位和古斯-汉欣位移装置，其特征在于：包括产生两束相互垂直的正交偏振光装置、相位参考装置、相位和GH位移测量装置以及数据采集和处理装置；所述的相位和GH位移测量装置，是一种能同时测量TM和TE反射光的相位和TM反射光的GH位移装置，所述的能同时测量TM和TE反射光的相位和TM反射光的GH位移装置，由棱镜(1701)、金属薄膜(1702)及待测量介质(1703)构成的克莱切曼结构(17)、一个分光器(18)、两个检偏器(19)和(22)、一个双凸透镜(20)、一个光电转换与电压放大器(21)和一个光电位置传感器(23)构成；其中：
●所述的产生两束相互垂直的正交偏振光装置，包含一个具有尾纤的半导体激光器(1)、一个输入为单模光纤输出为两个保偏光纤准直器(3)和(5)的偏振光分光器(2)、两个保偏光纤聚焦器(7)和(8)、两个保偏光纤准直器(9)和(10)、两个驱动频率分别为f1和f2的声光调制器(4)和(6)以及一个合光器(11)；
●所述的相位参考装置，包含一个斜面未镀金属薄膜的棱镜(12)、一个检偏器(13)、一个双凸透镜(14)和一个光电转换与电压放大器(15)；
●所述的数据采集和处理装置，包含带通滤波及相位解调电路(或者锁相放大器)(16)、一个GH位移数据采集卡(24)和一套计算机系统(25)；
●由半导体激光器(1)发出的激光束经单模光纤耦合后，进入偏振分束器(2)被分成两束线偏振光：一束为TM光，另一束为TE光；TM光通过保偏光纤准直器(3)进入驱动频率为f1的声光调制器(4)、TE光通过保偏光纤准直器(5)进入驱动频率为f2的声光调制器(6)后，分别产生两个0级衍射光和两个+1级衍射光，驱动频率为f2的声光调制器(6)的+1级衍射光经保偏光纤聚焦器(7)和驱动频率为f1的声光调制器(4)的+1级衍射光经保偏光纤聚焦器(8)后,再分别经过保偏光纤准直器(9)和(10)进入合光器(11)，其纵向光束通过斜面未镀金属薄膜棱镜(12)的全反射之后，通过检偏器(13)和双凸透镜(14)汇聚在光电转换与电压放大器(15)的光敏面上发生干涉，并转换为拍频为中频差的电信号，所述中频差的电信号作为系统的相位参考信号，送入带通滤波及相位解调电路(16)；
其横向光束经过棱镜(1701)、金属薄膜(1702)及待测量介质(1703)构成的克莱切曼结构(17)后，反射光束进入分光器(18)，其纵向光束经过检偏器(19)和双凸透镜(20)汇聚在光电转换与电压放大器(21)的光敏面上发生干涉，并转换为拍频为中频差的电信号，所述中频差的电信号作为系统的相位测量信号，送入带通滤波及相位解调电路(16)；
通过比较相位的测量信号和参考信号，获得相位的测量值；
通过调整检偏器(22)，使分光器(18)的横向光束通过检偏器(22)得到TE光，所述TE光到达光电位置传感器(23)之后，其光点的位置信号经过GH位移数据采集卡(24)送入数据处理装置(25)之后，再通过调整检偏器(22)，使分光器(18)的横向光束通过其后得到TM光，所述TM光到达光电位置传感器(23)之后，其光点的位置信号经过GH位移数据采集卡(24)送入数据处理装置(25)；
经过数据处理装置(25)对TE光和TM光的光点位置信号的处理，获得GH位移测量值。
3.根据权利要求2所述的一种同时测量相位和古斯-汉欣位移装置，其特征在于：所述的克莱切曼结构(17)的棱镜(1701)是底角为共振角的等腰三角棱镜。
4.根据权利要求2所述的一种同时测量相位和古斯-汉欣位移装置，其特征在于：所述的克莱切曼结构(17)的棱镜(1701)是两个锐角为共振角的菱形棱镜。
5.根据权利要求2所述的一种同时测量相位和古斯-汉欣位移装置，其特征在于：克莱切曼结构(17)、分光器(18)、检偏器(19)、双凸透镜(20)和光电转换与电压放大器(21)，固定在高精度旋转台上，其中光在棱镜(1701)上的入射点在旋转台的旋转轴上。
6.根据权利要求2所述的一种同时测量相位和古斯-汉欣位移装置，其特征在于：检偏器(22)与光电位置传感器(23)固定在高精度旋转台上。
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2016
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