CN109443704B - 一种相位增强的光学强度检测方法和系统 - Google Patents

一种相位增强的光学强度检测方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种相位增强的光学强度检测方法和系统。该方法通过一个简单的偏振控制装置，对待测器件表面的折射率敏感的强度响应和相位响应进行控制和运算，将相位信息加载到实际可测的强度信号上。本发明通过定点测量相位增强的强度信号，在不增加系统复杂度的同时，可有效提高系统的检测灵敏度。

Description

一种相位增强的光学强度检测方法和系统
技术领域
本发明涉及光学传感技术领域，尤其涉及强度检测和相位检测方法和系统。
背景技术
光学传感技术已经成为许多生物和化学分析测量应用的关键技术，基于表面波的光学传感技术可以满足高灵敏度、免标记，实时测量的需求。表面等离子体共振(SPR)是一种基于表面等离子体(SPW)，在介质与金属薄膜表面进行传播的现象，可应用于生化检测，自诞生以来被认为是研究生物分子相互作用的黄金分析标准。在SPR以外，新的表面波传感结构，如周期性的全介质结构及平面介质光栅结构因为能分别支持表面电磁波如布洛赫表面波及导波模式谐振的传输，近年来得到了广泛研究。
光子晶体是由不同介电常数的介质材料在空间呈周期性排布的结构。当电磁波在其中传播时，遵循折射、反射、透射原理，电子周期性的布拉格散射使电磁波受到调制而形成类似电子的能带结构。这种能带结构被称为光子能带。在适合的晶格常数和介电常数比的条件下，在光子晶体的光子能带间可出现某些特定频率的电磁波无法透过的频率区域，类似电子能带隙，此频率区被称为光子带隙(photonic band gap,PBG)或者光子禁带。因此光子晶体材料也被称为光子带隙材料。
根据周期性排布的方向和维度不同，光子晶体可以分为一维、二维和三维。光子晶体中存在光子禁带的物理机理是基于固体物理的布洛赫理论。当电磁波在一个具有分立、平移对称性的节点空间中传播时，由电磁场理论可知，在沿折射率周期变化方向的电磁场分布为被周期性函数所调制的平面波的形式，成为布洛赫态，显著特征是其波矢在该方向具有周期性，且其在光子晶体中传播时无需再考虑散射效应。
根据布洛赫原理，和电子带隙出现的原理类似，光子晶体中周期性变化的折射率分布可以看做平局折射率和周期性微扰的作用，此微扰作用即造成布洛赫边缘出现频率带隙。在此频率带隙中，光波的波矢没有实部，这意味着在此带隙中，光波不得以波动形式传播，而是以电磁场指数衰减的光波形式存在。为了激发这一模式，可以通过在完美的光子晶体结构中间引入一个缺陷层，从而在光子晶体内部激发局部模式；也可以通过在光子晶体结构表面末端引入一层介电材料，从而在光子晶体表面激发表面波。
基于平面一维光子晶体光栅的导波模式谐振(GuidedModeResonance，GMR)器件也可产生器件表面的倏逝波，对器件表面的折射率变化进行检测。其结构通常为在低折射率的亚波长尺寸的光栅结构上覆盖高折射率材料薄层，从而将光栅衍射的模式耦合到高折射率材料作为芯层的波导中去。BSW和SPR两种表面波均需要通过棱镜耦合的方式激发，而GMR往往由于具有光栅结构，在正入射或接近正入射时可将入射光耦合到导模波导中。
基于表面波的光学检测技术是通过激发传感界面附近的表面波,并利用束缚在界面附近的增强的光表面波效应进行传感检测。这类传感技术具有高灵敏度、可实时检测等优点,并在生化检测、药物开发、食品安全、环境监测等方面得到了广泛的应用。
基于表面波的传感器的扫描方法可分为角度扫描和波长扫描,检测的物理量包括强度和相位：
1、角度检测技术：这是最传统、最常用的扫描方式,该方法使用具有一定角度分布的固定波长的光源,通过旋转机械装置调整入射光源或传感器位置，从而改变入射光在传感器界面上的入射角度,获得传感器的角度-强度曲线以及共振峰位置,并通过检测共振角位置的变化来实现传感检测。角度扫描虽然直观、简单，在目前扫描方法中能达到的精度最高，但其所依赖的精密机械旋转台的运行速度十分有限，因此系统扫描速度很慢，难以实现高时间分辨率的快速实时测量。
2、波长检测技术：该方法是在固定入射角度的情况下,采用宽谱光源作为入射光,采用光谱仪或单色仪等光谱分析设备测量反射光的光谱,得到不同入射波长下的光谱响应,从而获得传感器的共振波长。波长检测的方法虽然对光源和光路中光学元件的要求不高,但其检测精度和扫描速度依赖于检测端的光谱分析设备。
3、强度检测技术：该方法是使用固定波长的激光以固定角度入射到传感装置上,检测端的光电探测器实时测量反射光的强度，并通过改变待测样品获得强度变化曲线。强度检测的灵敏度取决于共振角的斜率，入射角度一般在共振角附近斜率较大处,可获得较大的灵敏度。单点的强度检测可以方便地实现高速检测,这种检测方法的响应速度快且系统结构简单,因而可以非常方便地实现高通量检测。但表面波共振倾角的分布很大程度上取决于传感器的光学损耗，当传感器的光学损耗降低，例如BSW传感器，其表面波的共振峰变窄变浅，进而增加强度测量的难度。
4、相位检测技术：该方法与强度检测方法类似，区别是检测端通过搭建光路测量反射光的相位变化，与强度检测相比，相位检测可以达到更高的灵敏度。但是，相位无法直接测量，测量系统需要考虑时域、空间域、光谱域等多重因素，目前主流的测量装大多需要搭建干涉装置,结构复杂、体积庞大,对环境要求较高不易操作。
从上面介绍的几种检测技术可以看出现有的强度检测技术最为简单方便且最容易扩展到高通量检测，但检测灵敏度和精度较差；而相位检测包含了更多信息，有望实现更高的检测灵敏度，但系统复杂度高、不易实现。如能通过简单的实验设置，将相位信息与强度信息相耦合，通过将相位信息加载在强度信息上进一步提高强度检测的灵敏度，将具有非常广阔的实用前景和实用价值。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种相位增强的光学强度检测方法和系统。
本发明提供了一种相位增强的光学强度检测方法，包括
步骤1，将光源发出的窄谱光经过能产生完全偏振态的第一偏振控制器起偏，使其获得除S线偏振和P线偏振之外的一定偏振态；
步骤2，将具有上述一定偏振态的窄谱光以一定角度入射到待测器件表面，产生对待测器件表面的待测样品的折射率敏感的强度响应和相位响应；
步骤3，将从待测器件表面反射的光经过第二偏振控制器，使其在相互垂直的两个偏振方向上引入一定相位差；
步骤4，将经过第二偏振控制器的光经过第三偏振控制器，将其投影到两个相互垂直的偏振方向；
步骤5，对上述两个相互垂直的偏振分量的分别进行检测，以及处理，获得相位增强的强度信息；
步骤6，根据上述获得的相位增强的强度信息得到被测样品的折射率信息。
在一个示例中，步骤1中经过所述第一偏振控制器起偏后的光为线偏振光，且偏振方向介于S偏振态和P偏振态之间。
在一个示例中，步骤1中经过所述第一偏振控制器起偏后的光为45度线偏振光，其S偏振分量和P偏振分量大小相等。
在一个示例中，步骤1中经过所述第一偏振控制器起偏后的光为椭圆偏振光。
在一个示例中，步骤1中经过所述第一偏振控制器起偏后的光为圆偏振光。
在一个示例中，步骤3中所述两个相互垂直的偏振方向为S偏振方向和P偏振方向。
在一个示例中，步骤3中所述两个相互垂直的偏振方向为左旋圆偏振方向和右旋圆偏振方向。
在一个示例中，步骤4中所述两个相互垂直的偏振方向为S偏振方向和P偏振方向。
在一个示例中，步骤4中所述两个相互垂直的偏振方向为左旋圆偏振方向和右旋圆偏振方向。
在一个示例中，步骤2中所述具有一定完全偏振态的窄谱光以一定角度入射到待测器件表面，其中相互垂直的两个偏振方向之一能激发对待测器件表面的待测样品的折射率敏感的强度响应和相位响应。
在一个示例中，步骤2中所述具有一定完全偏振态的窄谱光以一定角度入射到待测器件表面，其中相互垂直的两个偏振方向之一能激发布洛赫表面波，产生对待测器件表面的待测样品的折射率敏感的强度响应和相位响应。
在一个示例中，步骤2中所述具有一定完全偏振态的窄谱光以一定角度入射到待测器件表面，其中相互垂直的两个偏振方向之一能激发导波模式谐振，产生对待测器件表面的待测样品的折射率敏感的强度响应和相位响应。
在一个示例中，步骤2中所述具有一定完全偏振态的窄谱光以一定角度入射到待测器件表面，其中P偏振分量能激发表面等离子体波，产生对待测器件表面的待测样品的折射率敏感的强度响应和相位响应。
本发明提供了一种相位增强的光学强度检测系统，包括按照光路上顺序设置的窄带光源、第一偏振控制器件、待测器件、第二偏振控制器件、第三偏振控制器件、光检测器件和信号处理系统。
在一个示例中，所述窄带光源为激光光源或由宽带光源和窄带滤光片组成的窄带光源。
在一个示例中，所述窄带光源还包括光束控制器件，为准直透镜或光纤准直透镜，用于将窄带光源的输出转换成准直光束。
在一个示例中，所述第一偏振控制器由格兰棱镜、格兰泰勒棱镜等起偏器组成。
在一个示例中，所述第一偏振控制器由偏振分光棱镜与波片组合而成。
在一个示例中，所述第一偏振控制器由格兰棱镜、格兰泰勒棱镜等起偏器与波片组合而成。
在一个示例中，所述第一偏振控制器为45度起偏的格兰泰勒棱镜。
在一个示例中，所述第一偏振控制器为偏振分光棱镜与波片组合而成。
在一个示例中，所述第一偏振控制器为偏振分光棱镜与方向角为22.5度的半波片组合而成。
在一个示例中，所述第一偏振控制器为偏振分光棱镜与半波片组合而成，其中半波片的方向角为除了0和π/4的整数倍之外的角度。
在一个示例中，所述待测器件为能激发布洛赫表面波的光学器件。
在一个示例中，所述待测器件为能激发表面等离子体波的SPR器件。
在一个示例中，所述待测器件为能激发导波模式谐振的光学器件。
在一个示例中，所述待测器件还包括光束耦合装置。
在一个示例中，所述光束耦合装置采用传统的Kretschmann棱镜耦合装置。
在一个示例中，所述第二偏振控制器为波片。
在一个示例中，所述第二偏振控制器为半波片。
在一个示例中，所述第二偏振控制器为半波片，且其方向角为22.5度。
在一个示例中，所述第三偏振控制器为偏振分光棱镜，将入射光分两路输出，分别为相互垂直的S偏振和P偏振分量。
在一个示例中，所述第三偏振控制器为偏振分光棱镜和波片的组合，将入射光分两路输出，分别为相互垂直的左旋圆偏振和右旋圆偏振分量。
在一个示例中，所述信号处理系统将两个光电探测器分别测得的、两个偏振方向垂直的光强信号相减，获得相位增强的光强度信号。
与传统强度检测相比，按本发明的方法实现的相位增强的强度检测方法能同时有效利用相位变化信息，可以获得更高的检测灵敏度。
按本发明的方法实现的相位增强的强度检测系统装置简单，与传统强度检测方式一样，易于实现高通量阵列化检测。
按本发明的方法实现的传感检测系统中的光源、光学元件和器件、检测设备等都可以固定不动，便于实现集成化、小型化和便携化。
附图说明
下面结合附图来对本发明作进一步详细说明，其中：
图1是一种相位增强的强度检测系统组成框图；
图2是实例中所述相位增强的强度检测系统的检测原理示意图；
图3是实例1所述待测布洛赫表面波器件表面待测样品为水时的强度响应和相位响应曲线图；
图4是实例1所述待测布洛赫表面波器件在所述系统中的相位增强的强度检测灵敏度增强倍数F随系统中第二偏振控制器半波片的方位角β变化的关系曲线；
图5(a)是实例1中所述待测布洛赫表面波器件表面待测样品折射率变化时的强度IR随角度变化，以及按实例1中所述系统中测得的相位增强的强度IPA随角度变化曲线；(b)是相应的不同角度下，强度变化IR和相位增强的强度变化IPA对折射率变化的一阶导数；
图6(a)是实例1中所述待测布洛赫表面波器件在所述系统中，样品浓度变化时的相位增强强度IPA实时检测曲线；(b)是对应的相位增强强度IPA随折射率的变化曲线；
图7是实例1中的待测布洛赫表面波器件的光学损耗增大时(二氧化钛层消光系数增大一个数量级)，在所述系统中的相位增强的强度检测的最大灵敏度增强倍数F随系统中第二偏振控制器半波片的方位角β变化的关系曲线；
图8是实例2中的输入光经第一偏振控制器件后起偏为圆偏振时，所述系统中的相位增强的强度检测灵敏度的最大增强倍数F随系统中第二偏振控制器半波片的方位角β变化的关系曲线；
图9是实例3中所述待测表面等离子体共振器件当金属薄膜厚度为50nm时根据菲涅尔公式算出的强度响应和相位响应曲线；
图10(a)是实例3中所述待测表面等离子体共振器件当金属薄膜厚度为50nm时，在所述系统中，样品浓度变化时的强度IR随角度变化，以及按实例3中所述系统中测得的相位增强的强度IPA随角度变化曲线；(b)是相应的不同角度下，强度变化IR和相位增强的强度变化IPA对折射率变化的一阶导数；
图11是实例3中，所述待测表面等离子体共振器件当金属薄膜厚度为50nm时，所述系统中的相位增强的强度检测灵敏度的最大增强倍数F随系统中第二偏振控制器半波片的方位角β变化的关系曲线；
图12是实例3中所述待测表面等离子体共振器件当金属薄膜厚度为30nm时根据菲涅尔公式算出的强度响应和相位响应曲线；
图13(a)是实例3中所述待测表面等离子体共振器件当金属薄膜厚度为30nm时，在所述系统中，样品浓度变化时的强度IR随角度变化，以及按实例3中所述系统中测得的相位增强的强度IPA随角度变化曲线；(b)是相应的不同角度下，强度变化IR和相位增强的强度变化IPA对折射率变化的一阶导数；
图14是实例3中，所述待测表面等离子体共振器件当金属薄膜厚度为30nm时，所述系统中的相位增强的强度检测灵敏度的最大增强倍数F随系统中第二偏振控制器半波片的方位角β变化的关系曲线；
具体实施方式
图1给出了本发明提供的一种相位增强的光学强度检测系统示意图。该系统包括在光路上顺序设置窄带光源101、光束控制器件102、第一偏振控制器103、光学耦合装置及待测器件104、第二偏振控制器105、第三偏振控制器106、光检测器件107、光检测器件108、信号处理系统109。其中101输出光经过102获得准直的平行光束经第一偏振控制器件103后经过104，通过光学耦合装置以固定角度入射到待测器件上，经过待测器件的反射或透射，出射光经过第二偏振控制器105在相互垂直的偏振方向上获得固定相位差，经第三偏振控制器106分成偏振方向相互垂直的两路，由光检测器107、108分别接收，接收获得的信号进入信号处理系统109进行运算、处理和显示等。
图2给出了本发明提供的一种相位增强的强度检测系统及工作原理示意图，包括直流连续窄带光源201、准直器件202、起偏器件203、光学耦合装置及待测器件204、偏振控制器件205、偏振分光器件206、检测器207和208、数据处理系统209。其中204包括光学耦合装置210和待测器件211。
采用琼斯矩阵方法表示系统中各器件，经过起偏器件203后的完全偏振态的一般形式可写为：
Figure GDA0002928910600000091
其中，a为相互垂直的两个偏振方向，如S偏振和P偏振方向分量的电场强度之比，δ为其相位差。待测器件204的琼斯矩阵可写为：
Figure GDA0002928910600000092
其中，r和φ分别代表该入射角度下激发的强度响应和相位响应。偏振控制器件205波片的琼斯矩阵可写为：
Figure GDA0002928910600000093
其中，γ为波片的快轴与P偏振方向的夹角。偏振分光器件206将入射光分成两束偏振状态相互垂直的光输出，相互垂直的偏振状态可为S和P偏振，也可以为两束偏振方向相互垂直的线偏振，也可以为两束偏振方向相互垂直的圆偏振或椭圆偏振。以能区分S和P偏振的偏振分光棱镜PBS为例，其琼斯矩阵分别可写为：
Figure GDA0002928910600000094
经过偏振分光的两路输出分别可写为：
Figure GDA0002928910600000095
Figure GDA0002928910600000096
被检测器207和208探测得到的两路光强分别可写为：
Figure GDA0002928910600000101
Figure GDA0002928910600000102
经过数据处理系统209将检得的两路光强相减，得到的相位增强的光强可写为：
Figure GDA0002928910600000103
由此可见，对于相位增强的光强IPA，其中r，φ为待测器件的强度、相位响应，由待测传感器件的结构和待测样品折射率，以及入射角度等传感条件决定；而a，δ和γ为系统中偏振控制器件的参数，可通过调整相应偏振控制器件的状态来设置和改变。该系统的角度灵敏度可写为：
Figure GDA0002928910600000104
其中θ为入射角度。传统强度检测的角度灵敏度可写为：
Figure GDA0002928910600000105
由此可见基于相位增强的强度检测的角度灵敏度与普通强度检测的角度灵敏度相比，其比值可写为角度灵敏度增强倍数FA：
Figure GDA0002928910600000106
上式中，r，φ，dr/dθ，dφ/dθ与待测传感器件的结构和待测样品折射率，以及入射角度决定；而a，δ和γ为系统中偏振控制器件的参数，可通过调整相应偏振控制器件的状态来设置和改变。
同样，该相位增强系统的强度灵敏度可写为：
Figure GDA0002928910600000107
其中n为待测样品的折射率。传统的强度检测灵敏度可写为：
Figure GDA0002928910600000108
分别寻找他们的灵敏度最大值，并相比较，可获得系统灵敏度增强倍数F：
Figure GDA0002928910600000109
其中，r，φ，dr/dn，dφ/dn与待测传感器件的结构和待测样品折射率，以及入射角位置决定；而a，δ和γ为系统中偏振控制器件的参数，可通过调整相应偏振控制器件的状态来设置和改变。
在实际应用中，当待测器件确定后，对于确定的强度响应和相位响应，可通过改变入射角度、调整各偏振控制器件的参数显著增强系统的强度检测灵敏度，即使上式比值F大于1。在实际应用中，对于低损的传感器件，其强度响应r值比高损器件小，dr/dθ及dr/dn可获得提高，但往往能获得急剧增强的dφ/dθ及dφ/dn。此时通过调整系统中的偏振控制器件，很容易获得较高的增强倍数F。
实例1
本实例中采用针对P偏振态设计的布洛赫表面波光学芯片作为待测光学器件，并采用传统的棱镜耦合方式激发光表面波(Kretschmann耦合装置)，以该偏振态入射到芯片上的光束，只会在某一角度下激发布洛赫表面波并产生对表面折射率敏感的强度响应和相位响应。实验采用的窄带光源201为980nm的FP激光器，光学耦合装置210中的耦合棱镜为三角形棱镜，材料为SF10玻璃，待测光学器件211由布洛赫表面波光学芯片212和微流样品池213组成。微流样品池中的样品214与光学芯片212表面相邻。
布洛赫表面波光学芯片的基底材料为ZF10玻璃，其折射率为1.668，组成布洛赫表面波光学芯片的结构为9个周期高低折射率交替的介质薄层并以两层介质缓冲层结束。紧贴基底的为高折射率介质材料薄层，高折射率介质薄层的材料为二氧化钛，其折射率为2.3，厚度为163nm，低折射率介质薄层的材料为二氧化硅，其折射率为1.434，厚度为391nm，介质缓冲层的材料为二氧化钛薄层和二氧化硅薄层的组合，其中二氧化钛层厚度为163nm，二氧化硅层厚度为500nm。二氧化钛层在加工过程中引入的材料薄层的损耗以及材料本身固有损耗经过试验测试估计，将其折射率虚部拟合为2x10-4。在P偏振入射光下，微流样品214为水时，布洛赫表面波被激发时的强度响应和相位响应可由菲涅尔方程计算得到，如图3所示。在固定入射角度下，布洛赫表面波器件的琼斯矩阵可表示为：
Figure GDA0002928910600000121
其中，r和φ是由BSW激发所引入的场反射率和相移，可以通过菲涅尔方程计算得到，同时，可以通过改变传感器件的物理结构，得到不同的反射率与相移。
本实例中采用的偏振控制器件203为45°偏振器，当一束平行光垂直射入时，出射光束为45°线偏光，其琼斯矩阵可表示为：
Figure GDA0002928910600000122
本实例中采用的偏振控制器件205为方位角为β的半波片，目的是控制入射到检测器的光束偏振比例，其琼斯矩阵可表示为：
Figure GDA0002928910600000123
本实例中偏振控制器件206为偏振分光棱镜，其作用是将P、S偏振分量分离并分别出射，可选择包括沃拉斯顿棱镜、玻璃片堆(平板分束器、立方体分束镜)、Rochon棱镜、YVO4光束偏移器(或采用α-BBO，方解石和金红石等材料)等具有偏振分束功能的器件，其琼斯矩阵可表示为：
Figure GDA0002928910600000124
对于本实例的装置设置，可得到两种相互垂直的偏振状态下的电场分布：
Figure GDA0002928910600000125
Figure GDA0002928910600000126
本实例中检测器208、209为高速光电检测器，采用偏压光电二极管检测器(Newport，818-BB-21)。检测端直接获得的两种偏振光强度分别为：
Figure GDA0002928910600000127
Figure GDA0002928910600000128
对两个不同偏振分量的强度相减，获得相位敏感的强度项，IPA＝Ip-Is。
Figure GDA0002928910600000129
在进行传感实验时，微流样品池中的样品为不同浓度的甘油水溶液(体积比浓度从0.1％-0.3％)，各相邻样品的折射率变化差为1.17*10-4RIU，其缓冲溶液为去离子水溶液，折射率为1.33。
经计算发现，在样品折射率为1.33时，图4为β在0-45°范围内最大相位增强强度检测(dIPA/dn)和最大传统强度检测(dIR/dn)的折射率的灵敏度增强倍数，图中的虚线为两者比值为1的情况，即可达到的最大相位增强强度检测灵敏度(dIPA/dn)和传统强度检测(dIR/dn)的灵敏度相等。当实线高于虚线时，β取值范围为4.3-43.1°，由于半波片的角度对称性，β取值范围可扩至4.3-43.1°或49.3-88.1°，在该范围内，本发明所使用的测量方法的灵敏度均高于传统的强度测量方法。其中优选8-39.5°或53-84.5°范围，此时本发明提出的测量方法的强度灵敏度的增强倍数大于两倍。当β＝24.4°时，本实例测试系统的灵敏度可达到最大值，相较传统强度检测，灵敏度能提高四倍多。
当偏振控制器件205为方位角为22.5°的半波片时，检测端所获得两种偏振光强度分别为
Figure GDA0002928910600000131
Figure GDA0002928910600000132
此时，相位增强项为IPA＝Ip-Is＝r*cosφ。图5(a)显示为当β＝22.5°时，上述几种不同浓度的待测样品的相位增强强度IPA和反射强度IR曲线，图中箭头指向左的曲线IR为经过光学器件后直接测量得到的强度值曲线IR＝|r|2，图中箭头指向右的曲线IPA为本实验所使用的相位增强的强度检测方法获得的相位增强强度曲线。图5(b)显示为在样品折射率为1.33时，相位增强强度(dIPA/dn)和反射强度(dIR/dn)的折射率的一阶导数，图中箭头指向左的曲线(dIR/dn)为经过光学器件后直接测量得到的强度值的一阶导数曲线，图中箭头指向右的曲线(dIPA/dn)为本实验所使用的相位增强的强度检测方法获得的相位增强强度的一阶导数曲线。当入射角固定在53.4度左右时，待测样品为不同浓度的甘油水溶液，随着其折射率变化(浓度变化间隔为0.1％)，系统实时测得的相位增强的强度如图6(a)所示，据此可获得不同折射率对应的相位增强的强度值，如图6(b)所示。
当待测器件的损耗增大，如将二氧化钛层折射率虚部设为2*10-3时，在同样的实验系统中(即保持45度线偏振起偏，PBS将S偏振和P偏振分量分成两路分别测量，待测样品折射率为1.33)，改变半波片的方向角，图7为β在0-45°范围内最大相位增强强度检测(dIPA/dn)和最大传统强度检测(dIR/dn)的折射率的灵敏度增强倍数，图中的虚线为两者比值为1的情况，即相位增强强度检测(dIPA/dn)和传统强度检测(dIR/dn)的灵敏度相等。从图7中可见，此时β取值仅在20.7-35.1°及65.7-80.1°范围内，灵敏度的最大增强倍数大于1，且最大增强倍数仅为1.28。
实例2
采用和实例1中同样的布洛赫表面波光学芯片，第一偏振控制器件选用45度起偏器和一个1/4波片的组合生成圆偏振光，其琼斯矩阵可表示为：
Figure GDA0002928910600000141
第二偏振控制器件和第三偏振控制器件均和实例1中一样，分别为方位角为β的半波片和偏振分光棱镜。经两个光学检测器检测的光强度项分别为：
Figure GDA0002928910600000142
Figure GDA0002928910600000143
对两个不同偏振分量的强度相减，获得相位敏感的强度项，IPA＝Ip-Is。
Figure GDA0002928910600000144
改变半波片的方位角β，记录每个方位角下不同入射角度可获得的最大的灵敏度增强倍数F(即相位增强强度对折射率的一阶导数(dIPA/dn)和反射强度对折射率的一阶导数(dIR/dn)之比)，可得图8。图8为样品折射率为1.33时，β在0-45°范围内扫描获得的最大F，图中的虚线为F值为1的情况，即相位增强强度对折射率的一阶导数(dIPA/dn)和反射强度对折射率的一阶导数(dIR/dn)相等。当实线高于虚线时，本发明所使用的测量方法的灵敏度可高于传统的强度测量方法，此时β取值范围为4-43°，由于其对称性，β取值范围可扩至4-43°和49-88°。其中，当β选择在7.8-39.6°和52.8-84.6°范围内时，本发明所使用的相位增强的强度测量方法的灵敏度最大可达到传统强度检测的2倍以上。当β＝23.8°和68.8°时，实例2所用检测系统的相位增强的强度检测灵敏度可达到最大值，最大值约为传统强度检测灵敏度的4.5倍，极大地提高了系统获取样品信息的能力。
实例3
本实例中采用只有P偏振态能激发的表面等离子体波光学芯片作为待测光学器件，并采用传统的棱镜耦合方式激发光表面波(Kretschmann耦合装置)，以该偏振态入射到芯片上的光束，会在某一角度下激发表面等离子体波并产生表面等离子体共振(SPR)，此时的反射光会产生对待测器件表面折射率敏感的强度响应和相位响应。实验采用的窄带光源201为632.8nm的FP激光器，光学耦合装置210中的耦合棱镜为三角形棱镜，材料为SF10玻璃，待测光学器件211由表面等离子体共振芯片212和微流样品池213组成。微流样品池中的样品214与表面等离子体共振芯片212表面相邻。
表面等离子体共振光学芯片的基底材料为ZF10玻璃，其折射率为1.668，其上有一层贵金属薄膜，金属薄膜的材料通常为金、银、铜、铝、钯等贵金属，薄膜厚度通常为十几纳米到几十纳米厚。在本实例中，金属薄膜材料选为金，在所述波长下，其折射率为0.2178+6.32i，待测样品为水，其折射率为1.33。P偏振入射光下，微流样品214为水时，表面等离子体波被激发时的强度响应和相位响应可由菲涅尔方程计算得到。在固定入射角度下表面等离子体共振器件的琼斯矩阵可表示为：
Figure GDA0002928910600000151
其中，r和φ是由SPR激发所引入的场反射率和相移，可以通过菲涅尔方程计算得到，同时，可以通过改变金属层的材料和厚度等物理结构，得到不同的反射率与相移。
与实例1中相似，对于同样的系统设置：45度起偏、方位角为β的半波片作为第二偏振控制器件、偏振分光棱镜作为第三偏振控制器件，系统测得的相位敏感的强度项IPA＝Ip-Is为
Figure GDA0002928910600000161
在本实例中，金属薄膜材料选为金，入射波长为632.8nm，当金属薄膜厚度为50nm时，根据菲涅尔公式可算出其强度响应和相位响应，如图9所示。
待测样品折射率为1.33时，可得相位敏感的强度项IPA与传统强度项IR＝r2随角度变化的曲线，如图10(a)所示，由此可得其分别对待测样品折射率求一阶导数的曲线，如图10(b)所示。改变半波片的方位角β，记录每个方位角下最大的灵敏度增强倍数F(即相位增强强度对折射率的一阶导数(dIPA/dn)和反射强度对折射率的一阶导数(dIR/dn)之比)，可得图11。图11为样品折射率为1.33时，β在0-45°范围内扫描获得的最大F，图中的虚线为F值为1的情况，即相位增强的强度灵敏度(dIPA/dn)和传统的反射强度灵敏度(dIR/dn)相等。当实线高于虚线时，本发明所使用的测量方法的灵敏度可高于传统的强度测量方法，此时β取值范围为12.3-28.2°，由于其对称性，β取值范围可扩至12.3-28.2和57.3°-73.2°。其中，当β＝20.2°时，本实例中相位增强的强度检测系统的灵敏度增强可达到最大，最大值可为传统强度检测灵敏度的1.14倍。
改变SPR芯片中的金层厚度，将其减薄到30nm，用同样方法进行计算，可得其强度和相位响应曲线，如图12所示。采用同样方法扫描半波片的方位角β，可得图13，其中，β可选取的角度范围为3.8-37.8°和48.8-82.8°，在20.8°和65.8°时相位增强的强度检测系统的灵敏度增强可达到最大，最大值是传统方法的2.5倍。

Claims (10)

1.一种相位增强的光学强度检测方法，包括以下步骤：
1）将窄谱光经过能产生完全偏振态的第一偏振控制器起偏，使其具有除S线偏振和P线偏振之外的一定完全偏振态；
2）将具有上述一定完全偏振态的窄谱光以一定角度入射到待测器件表面，产生对待测器件表面折射率敏感且偏振态敏感的强度响应和相位响应；
3）将从待测器件表面反射的光经过第二偏振控制器，以调控光束中包含的相互垂直的偏振方向分量的相位和强度；
4）将经过第二偏振控制器的光经过第三偏振控制器进行检偏，将其投影到两个相互垂直的偏振方向，并分别进行检测，以及运算处理，获得相位增强的强度信息；
5）根据上述获得的相位增强的强度信息得到被测样品的折射率信息。
2.如权利要求1所述的光学强度检测方法，其特征在于，经过所述第一偏振控制器起偏后的光为线偏振光，且具有介于S偏振态和P偏振态之间的完全偏振态。
3.如权利要求1-2任一项所述的光学强度检测方法，其特征在于，经过所述第一偏振控制器起偏后的光为线偏振光，且S偏振分量和P偏振分量幅度相等。
4.如权利要求1所述的光学强度检测方法，其特征在于，经过所述第一偏振控制器起偏后的光为椭圆偏振光或圆偏振光。
5.如权利要求1所述的光学强度检测方法，其特征在于，步骤4中的两个相互垂直的偏振方向为S偏振方向和P偏振方向。
6.一种相位增强的光学强度检测系统，包括按照光路上顺序设置的窄带光源、第一偏振控制器件、待测器件、第二偏振控制器件、第三偏振分光器件、对应第三偏振分光器件各路输出的光检测器件和将所检测得各路包含相位信息的光强度信息进行处理的信号处理系统。
7.如权利要求6所述的光学强度检测系统，其特征在于，待测器件为能激发布洛赫表面波的光学器件或能激发表面等离子体波的SPR器件，此时待测器件还包括光束耦合装置。
8.如权利要求6或7所述的光学强度检测系统，其特征在于，第二偏振控制器件为波片。
9.如权利要求6或7所述的光学强度检测系统，其特征在于，第二偏振控制器件为半波片。
10.如权利要求6或7所述的光学强度检测系统，其特征在于，第三偏振分光器件为偏振分光棱镜，将入射光分两路输出，分别为相互垂直的S偏振和P偏振分量。
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