CN106886066A - 一种零角度入射的表面等离子体光学非球面柱透镜 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种零角度入射的表面等离子体(SPR)光学非球面柱透镜，由两个光学面组成：一个表面形貌为本发明设计的特殊光学非圆柱面，一个长方形光学平面。该耦合透镜在平行于透镜光学平面的横截面为长方形。该耦合透镜由高折射率材料组成，平行光由光学非圆柱面一侧以垂直于长方形光学平面方向射入透镜，经光学非球面折射后聚焦于透镜的长方形光学平面的中轴线，或聚焦于经过长方形光学平面中轴线的法平面内中轴线的平行线。当在该耦合透镜的光学平面上镀上表面等离子体金属材料时，可在平行于透镜光轴的零角度入射在透镜的平面表面几何平分线上激发表面等离子体。本发明提供了一种能够在一条线上激发SPR的方式，像差小，价格低。

Description

一种零角度入射的表面等离子体光学非球面柱透镜

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种零角度入射的表面等离子体光学非球面柱透镜。

背景技术

表面等离子体(Surface Plasmon Resonance，SPR)是在金属和电介质的界面上传播的一种表面电磁波，在金属/电介质界面处的电场强度最大且在垂直于界面的法向上呈指数衰减。表面等离子体波的波矢量大于真空条件下的光波矢量，因此通常需要借助于其他手段来实现波矢的匹配从而激发SPR，常用的SPR耦合方法有电子耦合、光栅耦合、应用最广的Kretschmann棱镜结构、以及在Kretschmann棱镜结构上发展起来的“类三明治”多层结构耦合。棱镜结构和“类三明治”多层结构并无本质的区别，都必须满足从高折射率介质中入射且满足SPR激发角的条件。当样品在空气中时最小的激发角在44°附近，当用于液态的生物样品时需要的激发角大于70°。如何产生并耦合如此大的激发角，是SPR技术自始至终的技术核心也是最大的难点。当前高折射率型SPR耦合结构主要有棱镜式和油浸高NA显微物镜两种。棱镜式SPR结构具有成本低、样品夹持容易、而且能快速进行线扫描等优点，缺点是必须使用大角度的三角式机械结构，难以与其他光学技术兼容；油浸高NA显微物镜SPR结构的优点在于能够沿法向零角度入射，因此机械架构简单且易与其他光学显微技术兼容，缺点是由于其二维对称性主要用于点扫描，难以用于线扫描。本发明提出了一种零角度入射的表面等离子体光学非球面柱透镜，即具有油浸显微物镜类似于高NA、能够采用零角度入射等特性，又具有棱镜式SPR系统的结构简单、成本低、方便用于快速线扫描等优点。

发明内容

(一)要解决的技术问题

目前广泛采用的油浸物镜型SPR耦合系统大多数为聚焦到一个直径很小的点，难以实现快速线扫描。为解决这一问题，本发明提出了一种零角度入射的SPR光学耦合柱透镜。

(二)技术方案

本发明提出一种高数值孔径的表面等离子体柱透镜，由两个光学面组成，一个表面形貌为本发明设计的特殊光学柱面，一个表面为长方形光学平面。柱透镜关于过长方形光学平面中轴线的法平面对称，入射光垂直于长方形光学平面从光学柱面入射。

本发明的非球面柱透镜由在可见光范围内透明的高折射率材料组成，通常折射率在1.3到5之间，平行光由柱面入射到等离子体柱透镜，光学非球面折射后聚焦于透镜的长方形光学平面的中轴线，或聚焦于经过长方形光学平面中轴线的法平面内中轴线的平行线；当聚焦在长方形光学平面的中轴线的平行线上时，非球面柱透镜的长方形光学平面上需滴加一定厚度的匹配油以提高透镜的数值孔径，并能激发样品的SPR。

所述柱透镜上垂直于光学平面截面的边界曲线关于该截面中轴线对称，以曲线顶点为原点，顶点切线为x轴建立平面直角坐标系，曲线上点的坐标(x(m)，y(m))由以下递推公式给出:

y(m)＝-x(m)*cot[β(2m-2)]+h+f*tan[θ(2m-2)]*cot[β(2m-2)]

r＝f×tanθ

x(1)＝0y(1)＝0y_alt(1)＝0

x(2)＝h*tan[β(2)]+f*tan[θ(2)]y(2)＝0y_alt(2)＝0

式中h为曲线在y轴上的最大值，r为曲线在y轴上的最大值，f为匹配油的厚度，n₁为柱透镜材料折射率，n₂为匹配油折射率，将曲线在x轴正半轴上的长度r等分为2n-2份，记为r(2m-2)，θ是以r(2n-2)为横坐标的曲线点和平行光焦点的连线与y轴的夹角。

本发明的上述技术方案有如下优点：

1.体积小，结构简单，具有很高数值孔径；

2.能够实现零角度入射下的SPR激发和检测，入射光在远离非球面柱透镜的匹配油平面上聚焦为一条直线，实现线扫描，速度快；

3.基于本发明的表面等离子体光学耦合柱透镜的SPR耦合检测系统具有像差小，检测精度高等优点；

4.当平行光沿透镜光轴零角度入射到透镜的非球面时，本发明的表面等离子体光学耦合柱透镜能够在透镜的光学平面的表面几何中心处形成二维尺度下的从零度到最大孔径角的宽入射角范围，对应于SPR激发时能够对更小局域的样品信息进行探测，同时能够提供二维的SPR吸收光谱，并减弱对入射光线的角度要求。

附图说明

图1为非球面柱表面等离子体柱透镜折射的几何示意图；

图2为附带样品的非球面柱表面等离子体柱透镜三维图；

图3为表面等离子体柱透镜在待测样品表面的聚焦图；

图4为表面等离子体柱透镜的应用系统图；

图3中，入射光为平行光；401为表面等离子体光学耦合柱透镜，402为匹配油，403为表面等离子体传感芯片，404为待测样品；

图4中1为照明系统，2为探测系统，3为分光镜，401为表面等离子体柱透镜，402为匹配油，403为表面等离子体传感芯片，404为待测样品。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

具体实施方式一：本发明提供了一种零角度入射的高数值孔径的表面等离子体光学耦合柱透镜，能够应用于表面等离子体的耦合和检测。结合图1、3说明具体实施方式，本发明所述的一种高数值孔径表面等离子体光学耦合柱透镜，由两个光学面组成，其中一个形貌为本发明设计的特殊柱面，一个为光学平面，其形状为长方形。

如图1中所示，柱透镜上垂直于光学平面截面的边界曲线关于该截面中轴线对称，以曲线顶点为原点，顶点切线为x轴建立平面直角坐标系，边界曲线关于y轴对称，将等离子体柱透镜的边界曲线在x轴上的最大值r_max均分为2n-2份，记为r(2n-2)，θ为以r(2n-2)为横坐标对应的点和焦点连线与y轴的夹角，记为θ(2n-2)，β为r(2n-2)对应点对应的表面等离子体柱透镜内的入射光与y轴的夹角，记为β(2n-2)，为对应的曲面法线与入射光的夹角，记为非球面边界曲线在x正半轴上对应的点(x(m)，y(m))的坐标满足以下递推关系：

y(m)＝-x(m)*cot[β(2m-2)]+h+f*tan[θ(2m-2)]*cot[β(2m-2)]

r＝f×tanθ

x(1)＝0 y(1)＝0 y_alt(1)＝0

x(2)＝h*tan[β(2)]+f*tan[θ(2)] y(2)＝0y_alt(2)＝0

式中h为曲线在y轴上的最大值，r为曲线在y轴上的最大值，f为匹配油的厚度，n₁为柱透镜材料折射率，n₂为匹配油折射率。

以满足上述边界条件的曲线所形成的曲面为底面的柱体即是本发明提出的零角度入射的高数值孔径的表面等离子体光学耦合柱透镜(如图2所示)，如图3中所示，在表面等离子体柱透镜(401)表面滴加匹配油(402)，在匹配油(402)上放置一层表面等离子体传感芯片(403)，待测样品(404)放置表面等离子体传感芯片(403)上。

具体实施方式二：一种光学耦合柱透镜，其结构如权利要求一中所述，将其应用于如图4所示的表面等离子体光学检测系统中时，其特性如下：

系统由照明系统(1)，探测系统(2)，分光镜(3)，等离子体柱透镜(401)，匹配油(402),表面等离子体传感芯片(403)，待测样品(404)组成。

表面等离子体传感芯片(403)放置在等离子体柱透镜(401)的光学平面上，二者之间是匹配油(402)，待测样品(404)置于表面等离子体传感芯片(403)上。

照明系统(1)发出的光束经分光镜的分光后，零角度入射到表面等离子体光学耦合柱透镜时，经过非球面的一次折射，再经过油层和光学平面接触面的一次折射，将平行入射光光聚焦在一条直线上并激发样品SPR，激发后的光沿原入射路径返回，进入成像系统，显示SPR吸收谱，入射光在远离非球面柱透镜的匹配油平面上聚焦为一条直线，能够实现线扫描，做一个方向的扫描即能够的到一个平面的成像，扫描的速度快，为进行SPR检测和成像提供了一种简洁、低廉，准确度高的装置。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种零角度入射的表面等离子体光学非球面柱透镜，由两个光学面组成，一个表面形貌为本发明设计的特殊光学柱面，一个为长方形光学平面；平行光由光学非圆柱面一侧以垂直于长方形光学平面方向射入透镜，经光学非球面折射后聚焦于透镜的长方形光学平面的中轴线，或聚焦于经过长方形光学平面中轴线的法平面内中轴线的平行线；当聚焦在长方形光学平面的中轴线的平行线上时，非球面柱透镜的长方形光学平面上需滴加一定厚度的匹配油。

2.根据权利要求1所述的一种零角度入射的表面等离子体光学非球面柱透镜，其特征在于，所述柱形状器件平行于透镜光学平面的横截面为长方形，所述柱形状器件长方形光学平面的一个法平面交长方形光学平面于平行于长边的中轴线，柱形状器件关于该法平面对称。

3.根据权利要求1所述的一种零角度入射的表面等离子体光学非球面柱透镜，其特征在于所述非球面柱形器件的材料为高折射率透明材料，非球面柱透镜由对可见光透明的高折射率材料组成。

4.根据权利要求1所述的一种零角度入射的表面等离子体光学非球面柱透镜，所述柱透镜的有效数值孔径NA＝n·sinα，其中n为表面等离子体柱透镜折射率，α为平行光入射时表面等离子体柱透镜能够提供的最大孔径半角。

5.根据权利要求1所述的一种零角度入射的表面等离子体光学非球面柱透镜，所述柱透镜上垂直于光学平面截面的边界曲线关于该截面中轴线对称，以曲线顶点为原点，顶点切线为x轴建立平面直角坐标系，曲线上点的坐标(x(m)，y(m))由以下递推公式给出:

y(m)＝-x(m)*cot[β(2m-2)]+h+f*tan[θ(2m-2)]*cot[β(2m-2)]

r＝f×tanθ

$\mathrm{\β}=\arcsin \left(\frac{n_2\×\sin \mathrm{\θ}}{n_1}\right)$

x(1)＝0 y(1)＝0 y_alt(1)＝0

x(2)＝h*tan[β(2)]+f*tan[θ(2)]y(2)＝0 y_alt(2)＝0

其中x(m)和y(m)表示曲面边界线上点的横纵坐标，h为曲线在y轴上的最大值，r为曲线在y轴上的最大值，f为匹配油的厚度，n₁为柱透镜材料折射率，n₂为匹配油折射率，将曲线在x轴正半轴上的长度r等分为2n-2份，记为r(2m-2)，θ是以r(2n-2)为横坐标的曲线点和平行光焦点的连线与y轴的夹角。