CN107703103B - 用于检测折射率的ghSPR传感器及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于检测折射率的ghSPR传感器及检测方法,包括激光器、偏振分光棱镜、分光棱镜、斩光器、反射镜、SPR传感棱镜、位移探测器。激光器发出的光垂直入射至偏振分光棱镜后分为p偏振光和s偏振光。p光依次经过斩光器和分光棱镜后到达SPR传感棱镜,s光依次经过反射镜A、斩光器、反射镜B以及分光棱镜后到达SPR传感棱镜。SPR传感棱镜背面用折射率匹配液耦合了一个微流芯片,激光在棱镜背面的金膜上反射后到达位移探测器。本发明结构简单、稳定性好,具有高灵敏度的特点。
Description
技术领域
本发明属于SPR光学传感领域,涉及一种基于测量古斯-汉森位移的SPR传感器及检测方法。
背景技术
表面等离子体共振传感器(surfaceplasmonresonancesensor,以下简称SPR传感器)是一种高精度折射率传感器。基于棱镜耦合结构的SPR传感器有两大类:(1)基于光强型SPR传感器:通过检测p偏振光光强的变化作为检测折射率变化的物理量;(2)基于相位型SPR传感器:通过将p偏振光反射前后相位变化量作为SPR传感相位信息,实现对折射率的高精度检测。传统的基于光强型SPR传感器的检测灵敏度较低,而基于相位型SPR传感器的光学检测系统很复杂,不利于产业化的仪器生产。本发明提出了一种基于古斯-汉森位移的SPR传感器(Goos- shift surface plasmon resonance sensor,以下简称ghSPR传感器),其通过检测古斯-汉森位移(Goos-/>以下简称GH位移),具有光学系统简单,同时传感灵敏度高的特点。
利用SPR原理传感时,激发光在SPR传感面上发生能量耦合,倏逝波能量增大,使得反射光p偏振光光强会大幅度减小,而且相位会发生剧烈变化。相位的突变会大幅度增强GH位移。经过增强的GH位移量一般为微米量级,可以利用位移探测器直接进行测量。GH位移量与经过SPR传感面的反射光相位变化直接相关,因此GH位移的检测方式具有很高的传感灵敏度,而且具有较为简单的光学传感系统。
发明内容
1、发明目的。
本发明提出了一种用于检测折射率的ghSPR传感器及检测方法,以提高传感灵敏度。
2、本发明所采用的技术方案。
本发明提出的用于检测折射率的ghSPR传感器,激光器、偏振分光棱镜、斩光器、分光棱镜、SPR传感棱镜、位移探测器;激光器发出的光通过偏振分光棱镜后分为p偏振光和s偏振光;
p偏振光依次经过斩光器和分光棱镜后到达SPR传感棱镜;s偏振光依次经过多级反射镜反射回分光棱镜后到达SPR传感棱镜,其中多级反射镜反射光程中通过斩光器;
斩光器控制p偏振光和s偏振光只有一种偏振光通过,SPR传感棱镜背面用折射率匹配液耦合微流芯片,通过的偏振光在棱镜背面的金膜上反射后到达位移探测器。
更进一步具体实施方式中,所述的多级反射镜包括反射镜A、反射镜B;s偏振光依次经过反射镜A、斩光器、反射镜B反射回分光棱镜后到达SPR传感棱镜。
更进一步具体实施方式中,s偏振光和p偏振光均垂直入射至偏振分光棱镜、分光棱镜,反射镜A和反射镜B入射光的夹角均为45°。
更进一步具体实施方式中,所述的通过的偏振光在棱镜背面的金膜上反射后到达位移探测器,两种偏振光经过SPR传感棱镜反射后其相位变化分别可表示为:
其中为s光相位变化,/>为p光相位变化,θ为偏振光入射至金膜时的入射角,θc为全反射临界角,εd为高折射介质的介电常数,ε0为真空介电常数。
更进一步具体实施方式中,计算系统的GH位移量可具体表示为下式:
其中δ为穿透深度β为传输常数,k0为真空中波矢。
本发明提出的一种用于检测折射率的ghSPR传感器检测方法,按照如下步骤进行:
步骤一搭建传感器光学系统:
激光器发出的光通过偏振分光棱镜后分为p偏振光和s偏振光;p偏振光依次经过斩光器和分光棱镜后到达SPR传感棱镜;s偏振光依次经过多级反射镜反射回分光棱镜后到达SPR传感棱镜,其中多级反射镜反射光程中通过斩光器;
斩光器控制p偏振光和s偏振光只有一种偏振光通过,SPR传感棱镜背面用折射率匹配液耦合微流芯片,通过的偏振光在棱镜背面的金膜上反射后到达位移探测器。
步骤二调整光路至SPR条件:
用注射器向微流芯片内注射水,旋转斩光器,使得p偏振光能到达SPR传感棱镜。用光强传感器探测SPR传感棱镜反射的光强,慢慢旋转棱镜。当光强传感器检测出的光强为最小时,p光入射至SPR传感棱镜时的入射角满足SPR条件。
步骤三标定传感器:
配制一定浓度梯度的甘油水溶液,分别注入微流芯片。每次实验时,旋转斩光器使得位移传感器可分别测得p光位置以及s光位置,两者距离为此次实验的GH位移量。多次实验,作液体浓度-GH位移图,完成标定。
步骤四实际检测:
注射需检测的液体,旋转斩光器使得位移传感器可分别测得p光位置以及s光位置。计算其GH位移量,将其与标定图进行比对,得出检测液体的浓度。
更进一步具体实施方式中,所述的步骤一中的多级反射镜包括反射镜A、反射镜B;s偏振光依次经过反射镜A、斩光器、反射镜B反射回分光棱镜后到达SPR传感棱镜。
更进一步具体实施方式中,所述的步骤一中的s偏振光和p偏振光均垂直入射至偏振分光棱镜、分光棱镜,反射镜A和反射镜B入射光的夹角均为45°。
3、本发明所产生的技术效果。
(1)本发明的光路结构可以实现双偏振光位移量比对,实现高灵敏度检测。其中斩光器可控制p偏振光和s偏振光在到达斩光器后只有一种光能通过,s偏振光不发生共振,其作为系统的参考光,p偏振光在SPR传感器的金膜表面发生共振,其出射光同入射光相比具有一个GH位移,由位移探测器得到的p偏振光和s偏振光的位移差即可得到GH位移量。
(2)本发明GH位移量同微流装置中流体的折射率呈线性关系,ghSPR传感器对流体折射率变化的响应量只有GH位移量,大大提高了SPR传感器的灵敏度。
附图说明
图1为本发明ghSPR传感器的系统图。
附图标记说明:
1-激光器、2-偏振分光棱镜、3-斩光器、4-分光棱镜、5-SPR传感棱镜、6-反射镜A、7-反射镜B、8-位移探测器。
具体实施方式
实施例1
下面结合附图对本发明做进一步详述:
如图1所示,ghSPR传感系统包括激光器1、偏振分光棱镜2、斩光器3、分光棱镜4、SPR传感棱镜5、反射镜A6、反射镜B7、位移探测器8;激光器1发出的光通过偏振分光棱镜2后分为p偏振光和s偏振光;
p偏振光依次经过斩光器3和分光棱镜4后到达SPR传感棱镜5;s偏振光依次经过反射镜A6、反射镜B7反射回分光棱镜4后到达SPR传感棱镜5,其中多级反射镜反射光程中通过斩光器3;
斩光器3控制p偏振光和s偏振光只有一种偏振光通过,SPR传感棱镜5背面用折射率匹配液耦合微流芯片,通过的偏振光在棱镜背面的金膜上反射后到达位移探测器8,反射镜A6和反射镜B7入射光的夹角均为45°;因而在位移探测器可分别检测到p偏振光和s偏振光。。
s偏振光和p偏振光均垂直入射至分光棱镜4,通过分光棱镜4沿同一光路进入SPR传感棱镜5。
s偏振光不发生共振,其作为系统的参考光,p偏振光在SPR传感器的金膜表面发生共振,其出射光同入射光相比具有一个GH位移,GH位移量同微流装置中流体的折射率呈线性关系。ghSPR传感器对流体折射率变化的响应量只有GH位移量,大大提高了SPR传感器的灵敏度。
本发明中GH位移的原理如下:
根据麦克斯韦理论,以及菲涅尔定律,激发光以θ角入射至SPR传感棱镜面时,倏逝波沿界面传输的GH位移ΔxGH与反射光相位ΦR的变化有如下关系:
当光经过反射后,s偏振光与p偏振光相位变化不同。本实例所采取的SPR传感棱镜是一个衰减全反射结构,故两种光经过传感面反射后其相位变化分别可表示为:
其中为s光相位变化,/>为p光相位变化,θ为偏振光入射至金膜时的入射角,θc为全反射临界角,εd为高折射介质的介电常数,ε0为真空介电常数。
SPR现象是由于p偏振光发生全反射,其倏逝波渗透到金属表面引发表面等离子体,并当两者频率相等时发生共振。然而s偏振光无法引发SPR现象,因而在发生SPR现象时,p偏振光的GH位移被大大增强,s偏振光GH位移很小可作为系统的参考光。系统的GH位移量可具体表示为下式:
其中δ为穿透深度β为传输常数,k0为真空中波矢。
根据上述原理,当利用SPR原理传感时,系统GH位移因发生能量耦合而增大。GH位移量与p偏振光自传感面反射出的相位变化有直接关系,因而可通过测量相位型SPR传感系统的GH位移量以实现对折射率的高精度检测。
本实施例中传感棱镜材料为BK7,折射率为1.515。采用的斩光器驱动为ThorlabsMC2000B,斩光片为ThorlabsMC1F2。采用的位移探测器为ThorlabsPDP90A。
本发明陈述了一种ghSPR传感器,基于SPR效应增强GH位移原理,通过在光路中加入斩光器和位移探测器实现对GH位移的测量,提高了SPR传感器的灵敏度,并具有可实时、高精度检测的特点。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种用于检测折射率的ghSPR传感器检测方法,其特征在于按照如下步骤进行:
步骤一设置传感器光学路径:
激光器(1)发出的光通过偏振分光棱镜(2)后分为p偏振光和s偏振光;p偏振光依次经过斩光器(3)和分光棱镜(4)后到达SPR传感棱镜(5);s偏振光依次经过多级反射镜反射回分光棱镜(4)后到达SPR传感棱镜(5),其中多级反射镜反射光程中通过斩光器(3);
斩光器(3)控制p偏振光和s偏振光只有一种偏振光通过,SPR传感棱镜(5)背面用折射率匹配液耦合微流芯片,通过的偏振光在棱镜背面的金膜上反射后到达位移探测器(8);
步骤二调整光路至SPR条件:
用注射器向微流芯片内注射水,旋转斩光器,使得p偏振光能到达SPR传感棱镜,用光强传感器探测SPR传感棱镜反射的光强,慢慢旋转棱镜,当光强传感器检测出的光强为最小时,p光入射至SPR传感棱镜时的入射角满足SPR条件;
步骤三标定传感器:
配制一定浓度梯度的甘油水溶液,分别注入微流芯片;每次实验时,旋转斩光器使得位移传感器可分别测得p光位置以及s光位置,两者距离为此次实验的GH位移量;多次实验,作液体浓度-GH位移图,完成标定;
步骤四实际检测:
注射需检测的液体,旋转斩光器使得位移传感器可分别测得p光位置以及s光位置,计算其GH位移量,将其与标定图进行比对,得出检测液体的浓度;
所述的通过的偏振光在棱镜背面的金膜上反射后到达位移探测器(8),两种偏振光经过SPR传感棱镜(5)反射后其相位变化分别可表示为:
其中为s光相位变化,/>为p光相位变化,θ为偏振光入射至金膜时的入射角,θc为全反射临界角,εd为高折射介质的介电常数,ε0为真空介电常数;
计算系统的GH位移量可具体表示为下式:
其中δ为穿透深度β为传输常数,k0为真空中波矢。
2.根据权利要求1所述的用于检测折射率的ghSPR传感器检测方法,其特征在于:所述的步骤一中的多级反射镜包括反射镜A(6)、反射镜B(7);s偏振光依次经过反射镜A(6)、斩光器(3)、反射镜B(7)反射回分光棱镜(4)后到达SPR传感棱镜(5)。
3.根据权利要求1所述的用于检测折射率的ghSPR传感器检测方法,其特征在于:所述的步骤一中的s偏振光和p偏振光均垂直入射至偏振分光棱镜(2)、分光棱镜(4),反射镜A(6)和反射镜B(7)入射光的夹角均为45°。
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