CN107807108B - 一种大量程高分辨率的气液折射率检测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大量程高分辨率的气液折射率检测方法，包括S1、将待检测样品输入至样品室；S2、激光器发射的平行光入射棱镜耦合空芯金属包覆波导，激发表面等离子共振；S3、根据图像传感器接收的表面等离子共振衰减全反射吸收峰计算得到样品折射率范围；S4、根据折射率范围确定超高阶导模的角位置范围；S5、在超高阶导模的角位置范围内使激光器发射的平行光入射棱镜耦合空芯金属包覆波导并激发超高阶导模；S6、根据图像传感器接收的超高阶导模的衰减全反射吸收峰得到超高阶导模匹配角确定样品的折射率。该方法避免利用SPR技术分辨率不高的缺点，又能克服因亚毫米量级空芯金属包覆波导中模式数太多而造成的误算，实现了大量程高分辨的折射率测量。

Description

一种大量程高分辨率的气液折射率检测方法及装置
技术领域
本发明涉及一种折射率检测方法及装置，特别是涉及一种大量程高分辨率的气液折射率检测方法及装置。
背景技术
折射率是反映透明介质材料光学性质的一个基本的参数，在生产和科学研究中对一些固体、液体和气体折射率的精确测定具有重要的意义。例如：生物分子的相互作用以及溶液中的化学反应引起的分子结构变化都会产生折射率的微小变化，这种微小变化的检测是识别病毒和不同分子的重要手段。尤其是随着我国国民经济的快速发展，人口的不断增加，环境污染已成为严重损害人民健康的重大问题，越来越多的人们开始关注大气中有毒有害气体，以及江河、湖泊和海洋中有机物和重金属离子的水污染。对大气和水中有毒物质浓度(折射率)的精细检测已成为一项十分迫切的课题。
目前检测大气和水中物质浓度的常用方法有以下几种：阿贝折射仪全反射临界角法、使用分光计的最小偏向角法、迈克耳逊干涉仪等倾干涉法，以及原子吸收法、分光光度法、原子荧光光谱和高效液相色谱等技术等，但这些技术的灵敏度普遍不高、检出限一般都在10-3～10-4之间；有的光路调整复杂，测量过程时间长，不利于实时测量；有的检测量程小，对检测量程大的情况往往一种仪器不够，需采用另一种仪器；或需要大型昂贵的设备，检测成本高，难以推广应用。
发明内容
针对上述现有技术的缺陷，本发明提供了一种大量程高分辨率的气液折射率检测方法，解决表面等离子共振技术分辨率不高、而单纯采用超高阶导模技术时因空芯金属包覆波导模式数太多而造成的误算问题。
本发明技术方案如下：一种大量程高分辨率的气液折射率检测方法，包括S1、将待检测样品输入至棱镜耦合空芯金属包覆波导的样品室；S2、激光器发射的平行光入射棱镜耦合空芯金属包覆波导，激发上层金属膜与样品之间界面上的表面等离子共振；S3、步骤S2形成的反射光由图像传感器接收，根据图像传感器接收的表面等离子共振衰减全反射吸收峰计算得到样品折射率范围；S4、根据所述折射率范围确定超高阶导模的角位置范围；S5、在所述超高阶导模的角位置范围内使激光器发射的平行光入射棱镜耦合空芯金属包覆波导并激发超高阶导模；S6、步骤S5形成的反射光由图像传感器接收，根据图像传感器接收的超高阶导模的衰减全反射吸收峰得到超高阶导模匹配角；S7、根据所述样品折射率范围、超高阶导模的角位置范围及超高阶导模匹配角确定所述样品的折射率。
进一步的，所述棱镜耦合空芯金属包覆波导包括由上至下依次叠置的圆柱面型棱镜、垫圈及衬底，所述圆柱面型棱镜的下表面镀有上层金属膜，所述衬底的上表面镀有下层金属膜，所述圆柱面型棱镜和衬底之间构成样品室。
一种大量程高分辨率的气液折射率检测装置，包括棱镜耦合空芯金属包覆波导、可转动设置于所述棱镜耦合空芯金属包覆波导一侧的转盘、激光器和图像传感器，所述棱镜耦合空芯金属包覆波导包括由上至下依次叠置的圆柱面型棱镜、垫圈及衬底，所述圆柱面型棱镜的下表面镀有上层金属膜，所述衬底的上表面镀有下层金属膜，所述圆柱面型棱镜和衬底之间构成样品室；所述圆柱面型棱镜的截面为半圆形，所述转盘的转轴位于所述圆柱面型棱镜的下表面，所述激光器固定设置于所述转盘并向所述棱镜耦合空芯金属包覆波导发射平行光，所述图像传感器用于接收所述平行光经棱镜耦合空芯金属包覆波导形成的发射光。
进一步的，所述转盘的转轴与圆柱面型棱镜对应的圆柱形的轴线同轴。
优选的，所述上层金属膜的材料为银，厚度为45～55nm。
优选的，所述下层金属膜的材料为银，厚度大于等于200nm。
优选的，所述垫圈的材料为光学玻璃，厚度为300～600μm。
本发明所提供的技术方案的优点在于：通过首先激发上层金属膜与样品之间界面上的表面等离子共振计算得到一个较低分辨率的折射率范围，然后通过激发灵敏度极大、有效折射率N→0的超高阶导模，对较低分辨率的折射率范围实现细分以确定最终折射率。该方案利用表面等离子共振(SPR)和超高阶导模(UHM)两种优势互补的共振来测量样品的折射率。既能避免利用SPR技术分辨率不高的缺点，又能克服因亚毫米量级空芯金属包覆波导中模式数太多而造成的误算，即实现了折射率的大量程测量，同时能获得分辨率为1.0×10-5的样品折射率。
附图说明
图1为大量程高分辨率的气液折射率检测装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
请结合图1所示，本实施例所涉及的大量程高分辨率的气液折射率检测装置包括棱镜耦合空芯金属包覆波导、可转动设置于棱镜耦合空芯金属包覆波导一侧的转盘1、激光器2和图像传感器3。其中棱镜耦合空芯金属包覆波导包括由上至下依次叠置的圆柱面型棱镜4、垫圈5及衬底6，三者用光胶技术组装在一起。圆柱面型棱镜4采用折射率1.8的玻璃制备而成，其截面为半圆形，圆柱面型棱镜4的下表面沉积有上层金属膜7。上层金属膜7的厚度主要取决于金属材料，金属吸收较大时，厚度应减小，本实施例中上层金属膜7的材料为银，厚度为45～55nm。下层金属膜8要求不透光，厚度大于等于200nm即可实现，材质同样为银。
垫圈5和衬底6均为光学玻璃材质，在衬底6的上表面沉积下层金属膜8。由此圆柱面型棱镜4和衬底6由垫圈5隔开，垫圈5为环状，因此垫圈5的中央即由圆柱面型棱镜4和衬底6构成样品室。垫圈5的厚度决定了样品室的厚度，本实施例中垫圈5选用300～600μm厚度。在衬底6上可以设置两个通路，分别作用样品进出样品室的通道，通道与注射泵连接，由注射泵将样品泵入样品室。
转盘1用于固定激光器2，并使激光器2发射的平行光入射棱镜耦合空芯金属包覆波导，由于圆柱面型棱镜4截面为半圆，将转盘1的转轴与圆柱面型棱镜4对应的圆柱形的轴线同轴设置，使得激光器2随转盘1转动时，所发射的平行光与圆柱面型棱镜4表面夹角始终相同，方便测量。图像传感器3用于接收平行光经棱镜耦合空芯金属包覆波导形成的发射光。
大量程高分辨率的气液折射率检测方法是，首先，激光器2发射的平行光以较大的入射角度入射于处于转盘1中心的棱镜耦合空芯金属包覆波导，激发上层金属膜7与样品之间界面上的表面等离子共振(SPR)，反射光由图像传感器3接收，SPR的衰减全反射吸收峰在在图像传感器3上为一条黑线，通过黑线位置的计算，可得到分辨率约为5×10-4的样品折射率。接着，转动转盘1使激光以接近于0°的入射角激发棱镜耦合空芯金属包覆波导组件中灵敏度极大、有效折射率N→0的超高阶导模(UHM)，即可得到分辨率为1.0×10-5的样品折射率。
更具体的，假设入射激光的波长λ＝632.8nm，上下两层金属膜均采用银材质，介电系数ε2＝ε4＝-17+i0.8，上层金属膜7的厚度h2＝50nm，下层金属膜8的厚度h4＝200nm，圆柱面型棱镜4的折射率n1＝1.80，样品室的厚度h3＝500μm。由于测量的高分辨率要求，圆柱面型棱镜4的折射率、上层金属膜7的厚度与介电系数、下层金属膜8的厚度与介电系数以及样品室的厚度进行预先精确标定。将待检测样品通过注射泵泵入样品室。首先，激光器2发射的入射光由90°(平行于柱面形棱镜的底部)附近向小角度方向扫描，当反射光中出现一明显的黑线时，停止扫描，通过图像传感器3的检测，并由计算软件可测得SPR的匹配角为θATR＝52.64°。由于SPR衰减全反射吸收峰的宽度约为～1°，灵敏度不高，此时样品折射率分辨率Δn～0.0005。由SPR的反射率公式
Figure BDA0001426612420000031
其中，
Figure BDA0001426612420000032
而n1和n3分别为棱镜和样品的折射率，
Figure BDA0001426612420000041
自由空间的波数，β为表面等离子波的传播常数。可计算得到样品的折射率为n3＝1.350±0.0005。
根据超高阶导模的反射率公式
Figure BDA0001426612420000042
而
Figure BDA0001426612420000043
其中，ε4是下层金属膜的介电系数，
Figure BDA0001426612420000044
Figure BDA0001426612420000045
可确定最高阶导模在折射率n＝1.3500的角位置为0.2015°，当n＝1.3505时的角位置为0.7400°。此时转动圆盘使激光由0°(垂直于柱面形棱镜的顶部)附近，实际为0.2015°开始向大角度方向扫描，当反射光中出现一明显的黑线时，停止扫描，确定的最大的超高阶导模的匹配角为θATR＝0.44931°。则可计算得到样品折射率1.35034。

Claims (2)

1.一种大量程高分辨率的气液折射率检测方法，其特征在于：包括步骤S1、将待检测样品输入至棱镜耦合空芯金属包覆波导的样品室；S2、激光器发射的平行光入射棱镜耦合空芯金属包覆波导，激发表面等离子共振；S3、步骤S2形成的反射光由图像传感器接收，根据图像传感器接收的表面等离子共振衰减全反射吸收峰计算得到样品折射率范围；S4、根据所述折射率范围确定超高阶导模的角位置范围；S5、在所述超高阶导模的角位置范围内使激光器发射的平行光入射棱镜耦合空芯金属包覆波导并激发超高阶导模；S6、步骤S5形成的反射光由图像传感器接收，根据图像传感器接收的超高阶导模的衰减全反射吸收峰得到超高阶导模匹配角；S7、根据所述样品折射率范围、超高阶导模的角位置范围及超高阶导模匹配角确定所述样品的折射率。
2.根据权利要求1所述的大量程高分辨率的气液折射率检测方法，其特征在于，所述棱镜耦合空芯金属包覆波导包括由上至下依次叠置的圆柱面型棱镜、垫圈及衬底，所述圆柱面型棱镜的下表面镀有上层金属膜，所述衬底的上表面镀有下层金属膜，所述圆柱面型棱镜和衬底之间由所述垫圈构成样品室。
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