CN108613949B - 基于非对称金属包覆介质波导的角度扫描折射率传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于非对称金属包覆介质波导的角度扫描折射率传感器，包括激光器、平面镜A、棱镜、匹配油、玻璃基底、金属薄膜、待测物、平面镜B、光谱仪和平面镜旋转控制系统。激光器发出的激光，经平面镜A反射，经棱镜折射后辐照非对称金属包覆介质波导，反射光从棱镜中射出后，经平面镜B反射，辐照到光谱仪上。通过反射光谱的测量确定非对称金属包覆介质波导中的相应导模，进而确定待测物的折射率。本发明将待测物作为非对称金属包覆介质波导的导波层，充分利用了波导中的低阶和高阶导模,实现了大范围的折射率传感，具有结构简单和大范围折射率测量的优势，在折射率传感领域有望得到广泛应用。
Description
技术领域
本发明属于折射率传感器领域，涉及利用非对称金属包覆介质波导结构进行折射率传感测量的技术领域，特别涉及基于非对称金属包覆介质波导的角度扫描折射率传感器。
背景技术
折射率是物质的一个重要光学特性参数，它与物质的组成及成分有着直接的联系。折射率的检测在生物学、化学等相应的检测领域中有着广泛的应用。因此，研究人员提出了许多基于不同传感原理的折射率传感器，其中，由于表面等离子体的强耦合性质，它在折射率传感领域的应用也越来越多，基于表面等离子体的折射率传感器主要包括棱镜耦合和光栅耦合两种方式，研究人员已经设计出了相应的折射率传感器，并且实现了高灵敏度的折射率传感测量。但是，这些传感器虽然可以获得高灵敏度的折射率传感，却仍然有一定的不足，主要表现在以下几个方面：
(1)传感范围小：利用棱镜耦合表面等离子体共振进行折射率传感时，待测物的折射率必须小于棱镜本身的折射率，因此限制了折射率的传感范围。
(2)成本高：利用光栅耦合表面等离子体共振进行传感时，需要考虑光栅本身的制作工艺，无疑增加了传感器制作的成本。
(3)偏振受限：利用表面等离子体进行的折射率传感测量中，由于表面等离子体只有在TM偏振光照射下才能被激发，故对光的偏振有严格要求。
发明内容
本发明的目的在于弥补现有基于表面等离子体折射率传感器的不足，提出了一种基于非对称金属包覆介质波导的角度扫描折射率传感器，对利用棱镜和光栅耦合表面等离子体共振的传感器进行技术改进，从而实现低成本的大范围折射率传感。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
基于非对称金属包覆介质波导的角度扫描折射率传感器，包括激光器、平面镜A、棱镜、匹配油、玻璃基底、金属薄膜、待测物、平面镜B、光谱仪和平面镜旋转控制系统，其中，所述的激光器发出的激光束，经平面镜A反射，经棱镜折射后，辐照到金属薄膜、待测物和空气构成的非对称金属包覆介质波导上，反射光从棱镜射出后，经平面镜B反射后，辐照到光谱仪上，平面镜旋转控制系统控制平面镜A和平面镜B的旋转，以实现角度扫描的反射光谱测量。
其中，非对称金属包覆介质波导中存在低阶、高阶导波模式，激光束以激发导模的共振角辐照时，入射激光能量将耦合成待测物中的低阶、高阶导模的能量，光谱仪将探测到反射光谱出现相应低阶、高阶导模对应的波谷，通过对反射光谱的分析，可以确定相应的低阶、高阶导模的激发角，进而通过非对称金属包覆介质波导的相关理论，计算并确定待测物的折射率，通过低阶、高阶导模的使用，可实现大范围的折射率传感。
其中，所述的非对称金属包覆介质波导，是由金属薄膜，待测物和空气构成的三层结构，金属薄膜和空气用作包覆待测物的包覆层。
其中，入射光从激光器发出，经平面镜A反射，由棱镜耦合辐照到非对称金属包覆介质波导，反射光从棱镜中射出后，经平面镜B反射，由光谱仪测量反射光谱。
其中，在入射光波长一定的条件下，通过平面镜旋转控制系统实现角度扫描的折射率测量，平面镜旋转控制系统，控制平面镜A的旋转，以实现激光束以不同角度入射棱镜，从而以不同角度辐照非对称金属包覆介质波导；同时，平面镜旋转控制系统控制平面镜B的旋转，以实现经非对称金属包覆介质波导反射的光，被平面镜B反射后辐照到光谱仪上，由此保证了测量的实时性和准确性。
本发明的原理在于：基于非对称金属包覆介质波导的角度扫描折射率传感器，包括激光器、平面镜A、棱镜、匹配油、玻璃基底、金属薄膜、待测物、平面镜B、光谱仪、平面镜旋转控制系统，其中，所述的激光器发出相应的入射激光束，由平面镜A反射，经棱镜折射后，辐照非对称金属包覆介质波导，反射光从棱镜射出，经平面镜B反射后，由光谱仪测量反射光谱，从而通过共振激发角确定波导中存在的导波模式，进而确定待测物的折射率，通过结合低阶、高阶导波模式下的不同折射率传感范围，实现大范围的折射率传感。
其中，所述的激光器，发出入射激光束，作为激发导模共振的激发光源。
其中，所述的平面镜A，改变由激光器发出的激光束的传播方向，使其入射到棱镜上。
其中，所述的棱镜，用来耦合激发非对称金属包覆介质波导中的低阶、高阶导模。
其中，所述的匹配油，用于粘合棱镜与玻璃基底。
其中，所述的金属薄膜，通过电子束蒸发蒸镀到玻璃基底上，并作为非对称金属包覆介质波导结构中的金属包覆层。
其中，所述的待测物，作为非对称金属包覆介质波导中的导波层。
其中，所述的平面镜B，改变由棱镜射出的折射光的传播方向，使其辐照到光谱仪上。
其中，所述的光谱仪，用于反射光谱的测量。
其中，所述的平面镜旋转控制系统，用于同时控制和改变平面镜A及平面镜B的方向，从而使入射激光束以不同角度辐照到非对称金属包覆介质波导，同时保证反射光经平面镜B反射后辐照到光谱仪上，以实现角度扫描的反射光谱测量。
本发明基于非对称金属包覆介质波导的角度扫描折射率传感器具有如下优点：
(1)大折射率范围：非对称金属包覆介质波导中存在低阶、高阶导模，不同导模存在于不同的折射率范围内，通过低阶、高阶导模与待测物折射率的关系，即可实现对折射率的大范围测量。
(2)结构简单、操作方便：测量中，激光器、棱镜、非对称金属包覆介质波导、光谱仪的空间位置不变，仅通过平面镜控制系统控制平面镜A和平面镜B的旋转，既保证了该传感器的稳定性，又实现了角度扫描的反射光谱测量。因此，具有结构简单和操作方便的双重优势。
(3)偏振选择多样化：由于非对称金属包覆介质波导中的低阶、高阶导模即可以通过TM偏振光激发，也可以通过TE偏振光激发，而基于表面等离子体的折射率传感器只能通过TM偏振光进行激发，因此本发明具有偏振选择多样化的优势。
附图说明
图1是本发明基于非对称金属包覆介质波导的角度扫描折射率传感器示意图。
图2是以金属薄膜和待测物分界面的中心为坐标原点建立的笛卡尔坐标系xoz平面内的光路示意图，z轴垂直于待测物表面且正方向指向待测物，x轴在水平方向且正方向水平向右。
图3是四种不同折射率待测物在TM、TE偏振光辐照下的角度扫描反射光谱，其中，激光器为发射632.8nm波长的氦氖激光器，棱镜折射率为1.51。图3(a)为待测物折射率为1.20时的反射光谱；图3(b)为待测物折射率为1.40时的反射光谱；图3(c)为待测物折射率为1.60时的反射光谱；图3(d)为待测物折射率为1.80时的反射光谱；
图4是激发低阶导模TM0、TE0，高阶导模TM1、TE1的条件下，各波导模式的共振激发角与待测物折射率之间的函数关系曲线。
图5是图4中的四种导波模式下对应的角灵敏度曲线。
图1中：1为激光器，2为平面镜A，3为棱镜，4为匹配油，5为玻璃基底，6为金属薄膜，7为待测物，8为平面镜B，9为光谱仪，10为平面镜旋转控制系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描叙，附图中相同的标号始终表示相同的部件。
实施例1
参照图1所示的基于非对称金属包覆介质波导的角度扫描折射率传感器，包括激光器1，平面镜A2，棱镜3，匹配油4，玻璃基底5，金属薄膜6，待测物7，平面镜B8，光谱仪9，平面镜旋转控制系统10，其中：
激光器1，发射波长为632.8nm激光束的氦氖激光器，用作激发相关导波模式的激发光源。
平面镜A 2，改变由氦氖激光器1发出的激光束的传播方向，使其入射到棱镜中。
棱镜3，用来耦合激发非对称金属包覆介质波导中的低阶、高阶导模。
匹配油4，用于粘合棱镜3与玻璃基底5。
玻璃基底5，厚度约为1mm，作为衬底，金属薄膜6(金膜)通过电子束蒸发蒸镀到玻璃基底5上。
金属薄膜6，厚度约为50nm的金膜，作为非对称金属包覆介质波导结构中的金属包覆层。
待测物7，厚度约为500nm，用作非对称金属包覆介质波导结构中的导波层。
平面镜B 8，改变由棱镜3射出的反射光的传播方向，使其辐照到光谱仪9上。
光谱仪9，用做反射光谱的测量。
平面镜旋转控制系统10，用于同时控制平面镜A 2和平面镜B 8的方向，使由激光器1发出的激光束以不同角度辐照到非对称金属包覆介质波导上，并保证反射光经平面镜B8反射后辐照到光谱仪9上，从而实现角度扫描的折射率传感测量。
氦氖激光器1发出的波长632.8nm的激光束，经平面镜A2反射后，经折射率为1.51的棱镜3折射后，辐照到非对称金属包覆介质波导，反射光从棱镜3射出后，经平面镜B8反射，辐照到光谱仪9上。待测物7的折射率为1.20时，反射光谱如图3(a)所示，对于折射率为1.20的待测物7，非对称金属包覆介质波导中有TM0、TE0低阶导模和TM1高阶导模3种导波模式。
实施例2
待测物7的折射率为1.40时，反射光谱如图3(b)所示，此时，非对称金属包覆介质波导中有TM0、TE0低阶导模和TM1、TE1高阶导模4种导波模式。其它结构同实施例1。
实施例3
待测物7的折射率为1.60时，反射光谱如图3(c)所示，此时，非对称金属包覆介质波导中有TM1、TE1和TM2高阶导模3种导波模式。其它结构同实施例1。
实施例4
待测物7的折射率为1.80时，反射光谱如图3(d)所示，此时，非对称金属包覆介质波导中有TE1、TM2和TE2高阶导模3种导波模式。其它结构同实施例1。
实施例5
参照图1所示的基于非对称金属包覆介质波导的角度扫描折射率传感器示意图，通过改变待测物7的折射率，利用光谱仪9测量反射光谱，得到不同折射率待测物7在相应的低阶导模TM0、TE0和高阶导模TM1、TE1激发条件下的共振激发角与待测物7的折射率之间的函数关系曲线，如图4所示。进一步，可以通过计算得到传感器对应的各导波模式的角灵敏度与待测物7的折射率之间的函数曲线，如图5所示。由图4分析可以看出，各导波模式存在的折射率范围不同，因此，结合低阶与高阶导波模式的使用，可显著地增大折射率的传感测量范围，由此也进一步说明了本发明的大折射率范围测量。由图5的曲线可以看出，待测物7的折射率增大时，各导波模式下的角灵敏度逐渐增大，并且在待测物7的折射率较大时，其灵敏度显著增强，因此可以获得较高灵敏度的折射率传感，由此也显示了本折射率传感器的优越性。
下面结合非对称金属包覆介质波导的电磁理论来说明本发明基于非对称金属包覆介质波导的角度扫描折射率传感器的原理：
图2是基于非对称金属包覆介质波导的角度扫描折射率传感器的部分光路示意图，以金属薄膜6和待测物7的分界面的中心为坐标原点建立笛卡尔坐标系xoz，其中，z轴垂直于待测物表面且正方向指向待测物，x轴在水平方向且正方向水平向右。激光器1发出波长λ0的激光束，玻璃基底5和棱镜3是相同的材料的玻璃，其折射率均为n0，金属薄膜6的折射率为nm，待测物7的厚度为d，无限厚的空气作为包覆层包覆待测物7，基于这种金属薄膜6、待测物7和空气三层结构构成的非对称金属包覆介质波导。通过平面镜旋转控制系统10和光谱仪9完成角度扫描的反射光谱测量，通过对反射光谱的分析和计算，可确定厚度为d、折射率为na的待测物7条件下，非对称金属包覆介质波动中的低阶、高阶导波模式及其对应的激发共振角，并最终计算求得待测物7的折射率na。
在波长λ0的入射光的照射下，图2的非对称金属包覆介质波导中，存在两种偏振的导波模式，即TM模式和TE模式，当满足模式本征方程：
可激发TM导波模式；
同样，如果满足：
κad＝mπ+arctan(αair/κa)+arctan(αm/κa)，
则可激发TE导波模式；
其中，m表示各导波模式的阶数，nair空气的折射率。设真空中波长为λ0的激光束的波矢为k0＝2π/λ0，导波模式传播常数为β，则κa，αair和αm可表示为：
当激发m阶导波模式时，β满足：
式中，为m阶TM/TE波导模式的共振激发角。
通过以上的理论分析可知，当激光器1输出的的激光波长λ0、棱镜3的折射率n0、金属薄膜6的折射率nm，待测物7的厚度d等参数确定后，仅依赖于待测物7的折射率na，因此可以通过本发明基于非对称金属包覆介质波导的角度扫描折射率传感器，测量待测物7的折射率，实现折射率传感，且可以实现大范围的折射率传感测量。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
Claims (3)
1.基于非对称金属包覆介质波导的角度扫描折射率传感器，其特征在于，包括激光器（1）、平面镜A（2）、棱镜（3）、匹配油（4）、玻璃基底（5）、金属薄膜（6）、待测物（7）、平面镜B（8）、光谱仪（9）和平面镜旋转控制系统（10），其中，所述的激光器（1）发出的激光束，经平面镜A（2）反射，经棱镜（3）折射后，辐照到金属薄膜（6）、待测物（7）和空气构成的非对称金属包覆介质波导上，反射光从棱镜（3）射出后，经平面镜B（8）反射后，辐照到光谱仪（9）上，平面镜旋转控制系统（10）控制平面镜A（2）和平面镜B（8）的旋转，以实现角度扫描的反射光谱测量；
非对称金属包覆介质波导中存在低阶、高阶导波模式，激光束以激发导模的共振角辐照时，入射激光能量将耦合成待测物（7）中的低阶、高阶导模的能量，光谱仪（9）将探测到反射光谱出现相应低阶、高阶导模对应的波谷，通过对反射光谱的分析，可以确定相应的低阶、高阶导模的激发角，进而通过非对称金属包覆介质波导的相关理论，计算并确定待测物（7）的折射率，通过低阶、高阶导模的使用，可实现大范围的折射率传感；
在入射光波长一定的条件下，通过平面镜旋转控制系统（10）实现角度扫描的折射率测量，平面镜旋转控制系统（10），控制平面镜A（2）的旋转，以实现激光束以不同角度入射棱镜，从而以不同角度辐照非对称金属包覆介质波导；同时，平面镜旋转控制系统（10）控制平面镜B（8）的旋转，以实现经非对称金属包覆介质波导反射的光，被平面镜B（8）反射后辐照到光谱仪（9）上，由此保证了测量的实时性和准确性。
2.根据权利要求1所述的基于非对称金属包覆介质波导的角度扫描折射率传感器，其特征在于，所述的非对称金属包覆介质波导，是由金属薄膜（6），待测物（7）和空气构成的三层结构，金属薄膜（6）和空气用作包覆待测物（7）的包覆层。
3.根据权利要求1所述的基于非对称金属包覆介质波导的角度扫描折射率传感器，其特征在于，入射光从激光器（1）发出，经平面镜A（2）反射，由棱镜（3）耦合辐照到非对称金属包覆介质波导，反射光从棱镜（3）中射出后，经平面镜B（8）反射，由光谱仪（9）测量反射光谱。
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