CN109470660A - 采用放大结构的古斯汉森位移型spr传感器 - Google Patents

采用放大结构的古斯汉森位移型spr传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及采用放大结构的古斯汉森位移型SPR传感器，包括激光器、偏振分光棱镜、空间光调制器、运动控制器、立方体控制器、位置探测器、位移放大结构、SPR传感棱镜、反射镜。激光器的激光经反射镜和偏振分光棱镜组分解为方向一致的TM光与TE光。空间光调制器调节TM及TE光周期性出现。TM或TE光经过传感棱镜及传感芯片后，通过两面凹面镜组合的位移放大结构放大TM光相对于TE光的微小古斯汉森位移，由位移探测器分别检测TM光和TE光的位置。本发明采取放大装置将古斯汉森位移放大，增强了古斯汉森位移型表面等离子体传感器的灵敏度，具有结构简单，选择灵活，成本低，灵敏度高的特点。

Description

采用放大结构的古斯汉森位移型SPR传感器
技术领域
本发明属于光学传感领域，涉及一种采用放大结构的古斯汉森位移型SPR传感器。
背景技术
表面等离子体共振(surface plasmon resonance，以下简称SPR)是一种物理光学现象。在入射光满足全反射条件且产生的倏逝波同传感芯片的表面等离子体波达到波矢匹配条件时，发生共振现象。在满足表面等离子共振的条件下，由于共振现象，入射光的能量大部分转换为倏逝波的能量，因而古斯汉森位移被放大。同时，光可分解为振动方向垂直的TM光和TE光，TM光可激发表面等离子体共振现象，并将古斯汉森位移放大，而TE光无法激发表面等离子共振现象，所以只有TM光的古斯汉森位移因表面等离子共振现象而被放大。在满足发生SPR现象的条件下，TM光的古斯汉森位移对传感芯片表面的折射率变化有着敏感的响应，通过检测TM光古斯汉森位移的变化量，可对传感芯片表面的检测液进行实时检测。
古斯汉森位移量很小，理论上为百微米量级。为探测古斯汉森位移以及折射率发生变化后的古斯汉森位移变化量，便需要高精度的位置探测器。折射率变化越小，古斯汉森位移变化量越小，对位置探测器的精度要求越高。这便限制了古斯汉森位移型SPR传感器的应用。据此，本发明基于古斯汉森位移型SPR传感器，提出一种采用位移放大装置的古斯汉森位移型SPR传感器。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种采用位移放大装置的古斯汉森位移型SPR传感器，解决现有技术中对位移探测器精度的要求，增强传感器的灵敏度。
本发明包括激光器、偏振分光棱镜，空间光调制器、运动控制器、立方体控制器、位置探测器、位移放大结构、SPR传感棱镜、反射镜，激光光源发出的光由偏振分光棱镜、反射镜及空间光调制器组合在运动控制器的控制下调制为TM光和TE光周期光源，用此TM、TE周期光源作为系统的工作光源，放大结构对TM、TE周期光源经SPR传感芯片后产生的微小古斯汉森位移进行放大。
更进一步具体实施中，位移放大结构可由两个曲率不同的凹面镜组成，并且两凹面镜的焦点重叠，灵敏度放大倍数为两凹面镜的曲率半径比。
更进一步具体实施中，空间光调制器为步进电机控制器与带孔不透明屏组合，由运动控制器控制，实现对光源的空间调控。
更进一步具体实施中，两面反射镜相互垂直且与和两个偏振分光棱镜的连线夹角为45°。
本发明的有益效果：本发明基于古斯汉森位移型SPR传感器，加入采用两面凹面镜组合而成的位移放大装置，实现对该类型SPR传感器灵敏度的放大，且放大倍数为两凹面镜的曲率半径比，具有结构简单，造价低，适用范围广的特点。
附图说明
图1为本发明采用位移放大装置的古斯汉森型SPR传感器的系统图。
图2为本发明位移放大结构的原理示意图。
附图标记说明：
1-激光器、2-偏振分光棱镜、3-空间光调制器、4-偏振分光棱镜、5-运动控制器、6-立方体控制器、7-位置探测器、8-位移放大装置、9-SPR传感棱镜、10-反射镜、11-反射镜、12-反射镜、13-球面镜A、14-球面镜B。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详述：
实施例
本实施例公开了一种采用位移放大装置的古斯汉森型SPR传感器，包括激光器1、偏振分光棱镜2，4、空间光调制器3、运动控制器5、立方体控制器6、位置探测器7、位移放大结构8、SPR传感棱镜9、反射镜10，11，12。激光器1发出的激光通过偏振分光棱镜2分解为传播方向相互垂直的TM光和TE光，TE光经过反射镜12后光路与TM光平行。由带孔不透光平板和步进电机组合的空间光调制器3在运动控制器5的控制下，可使从空间光调制器3出射的光为依次为TM光、TE光且是周期的，经过反射镜11和偏振分光棱镜4后TM光和TE光周期间歇地在之后的光路中出现，SPR传感棱镜9用于通入检测液作为传感探测部分，位移放大装置8将TM光和TE光之间微小的古斯汉森位移放大，由位置探测器7分别接收TM光和TE光的位置，做差得古斯汉森位移。
下面结合附图2，以两个凹面镜为例说明位移放大装置对古斯汉森位移放大结构的位移放大原理。
两面凹面镜为球面镜A13和球面镜B14，球面镜A13的半径为RA，球面镜B14的半径为RB，OA和OB分别是两个球面镜的圆心，两球面镜共焦点FA(FB)；TM光和TE光平行入射至球面镜A13，两光线位移间距为d；经过球面镜A13和球面镜B14后两光线位移的间距d增大。当所检测的检测物折射率发生变化时，TM光的古斯汉森位移发生变化，与初始TM光的位移差为Δd；折射率变化前后的TM光及TE光互相平行，经过球面镜A13反射后光线经过球面镜A13的焦点同时也是球面镜B14的焦点，因而前后经过球面镜B14反射的光线均平行，在光线出射范围之内选取一个可接收到所有光线之处放置位置探测器7检测其位移。
在近轴条件下，利用光线传输矩阵模型进一步说明本发明的所选取的双凹面镜放大结构的放大原理。选取检测物折射率发生变化前后的TE光、TM光，TE’光、TM’光，四条光线的初始矩阵分别为：四条光线出射时相互平行，即θ1＝θ2＝θ3＝θ4。由光线矩阵的定义可知两平行光线的间距为d＝Δr×cosψ，其中Δr为两光线的ri之差，ψ为光线和光轴的夹角。在入射位移放大结构前古斯汉森位移为TM光和TE光的间距，故入射前古斯汉森位移为d0＝(r2-r1)cosθ1，折射率发生变化后的古斯汉森位移d1＝(r4-r3)cosθ3，同时有θ1＝θ3，r3＝r1故折射率发生变化后的古斯汉森位移变化量为：Δd＝d1-d0＝(r4-r2)cosθ1。
令出射位置离球面镜A13的距离为lA，两个球面镜的轴向距离为lB，从初始位置至球面镜B14的传输矩阵可表示为：
四束光束的光线矩阵可表示为
其中i＝1,2,3,4，分别对应TE光、TM光，TE’光、TM’光。球面镜B14的主光轴同球面镜A13的主光轴存在θ的夹角偏移，将光线矩阵修正为：
球面镜B14的传输矩阵为因而通过两个凹面镜组成的位移放大结构的出射的光线矩阵为：
其中i＝1,2,3,4，分别对应TE光、TM光，TE’光、TM’光。
两球面镜共焦点有RA+RB＝2lB，因而经过古斯汉森位移放大结构后的光线矩阵中可将光线矩阵化简为：
经过古斯汉森位移放大结构后的古斯汉森位移为d′0＝(r″2-r″1)cosθ″1，d′1＝(r″4-r″3)cosθ″3，因有θ1＝θ3，r3＝r1，带入光线矩阵中可得θ″1＝θ″3，r″3＝r″1。折射率发生变化后的古斯汉森位移变化量为：Δd′0＝d′1-d′0＝(r″4-r″2)cosθ″1。
古斯汉森位移型SPR传感器灵敏度的定义式为：
其中Δd为折射率变化前后的古斯汉森变化量，Δn为折射率变化量。经过双凹面镜放大后，灵敏度的放大倍数为：
由于θ1和θ均为一个值趋于0°的角度，故灵敏度放大倍数可化简为：
根据上述原理，采取此结构的古斯汉森型位移型SPR传感器的灵敏度的放大倍数可由所选择的两个凹面镜的曲率半径比所绝对，具有结构简单，成本低，灵敏度放大倍数可选的特点。
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.采用放大结构的古斯汉森位移型SPR传感器，其特征在于：包括激光器、偏振分光棱镜，空间光调制器、运动控制器、立方体控制器、位置探测器、位移放大结构、SPR传感棱镜和反射镜；
激光光源发出的光由偏振分光棱镜、反射镜及空间光调制器组合在运动控制器的控制下调制为TM光和TE光周期光源，用此TM、TE周期光源作为SPR传感芯片的工作光源，位移放大结构对TM、TE周期光源经SPR传感芯片后产生的微小古斯汉森位移进行放大；
所述的位移放大结构由两个曲率不同的凹面镜组成，并且两凹面镜的焦点重叠，灵敏度放大倍数为两凹面镜的曲率半径比。
2.根据权利要求1所述的古斯汉森位移型SPR传感器，其特征在于：激光光源发出的光调制为TM光和TE光周期光源过程中采用了两面反射镜和两个偏振分光棱镜，两面反射镜相互垂直且与和两个偏振分光棱镜的连线夹角为45°。
3.根据权利要求1所述的古斯汉森位移型SPR传感器，其特征在于：空间光调制器为步进电机控制器与带孔不透明屏组合，由运动控制器控制，实现对光源的空间调控。
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