CN1139799C - 相位调制偏振型表面等离子体波传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种相位调制偏振型表面等离子体波传感器,由激光器产生的激光经起偏器后变成线偏振光,该线偏振光入射到表面等离子体波激发装置中的光反射面,反射后的出射光经1/4波片后成为左旋和右旋圆偏振光,圆偏振光经检偏器变成线偏振光,该线偏振光经光电转换器转换成为电信号,该电信号经锁相放大器后输入计算机,显示测量结果,信号发生器发出信号给相位调制器,相位调制器对P波和S波的相位差进行调制,同时输入锁相放大器,对光电转换信号进行解调。利用本发明设计的相位调制偏振型表面等离子体波传感器,通过调整光学元件,使其在工作点处直流光强背景在理论上为零,并且通过调制,进一步提高传感器的分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及一种相位调制偏振型表面等离子体波传感器,属工业测量技术领域。
背景技术
表面等离子体波传感器[英文Surface Plasmon Resonance sensor简称SPR传感器]虽然按习惯称作SPR传感器,实际是一个光机电一体化的SPR测试仪器。该仪器主要用于物理、化学及生物领域关于薄膜系统特性的研究。特别在生物膜工程,细胞结构,膜化学等领域的应用有广阔的前途。
SPR传感器的机理是P波共振激光表面等离子体波,其反射系数
对靠近激发表面介质的折射率非常敏感。通过对反射光特性的测量可以确定折射率的变化。反射系数
是复数,这表示不仅振幅发生变化,而且反射的相位发生跃变。S波不能激发表面等离子体波,在感兴趣的范围内,S波的反射率近似为1,相位近似为常数。通常的SPR传感器入射波仅含P波,仅利用P波反射系数的振幅特性,可以称为振幅型SPR传感器。1994年,本申请人提出,在入射波中加进S波,利用P波和S波的干涉,这样就同时利用了P波反射系数的振幅和相位特性,这种SPR传感器可以提供更好的分辨率。从1999年开始,这种干涉型传感器陆续在国外有文献报导。实验都证明了这种传感器比振幅型好。后来又将这种传感器进行了发展,加进了调制技术和弱信号控测技术,使分辨率再一次得到提高,折射率分辨率可达1×10-7。我们以前申请的专利CN1215152A存在的技术缺点是,工作点直流光强背景在理论上不为零,(如果为零,灵敏度也为零)。由于白噪声正比于直流光强的开方,因而噪声还比较大。
发明内容
本发明的目的是设计一种相位调制偏振型表面等离子体波传感器,使传感器在工作点处直流光强背景在理论上为零,因而进一步提高传感器的分辨率。
本发明设计的相位调制偏振型表面等离子体波传感器,包括激光器、起偏器、表面等离子体波激发装置、1/4波片、检偏器、光电转换器、锁相放大器、计算机和信号发生器以及磁光调制器;由激光器产生的激光经起偏器后变成线偏振光,该线偏振光入射到表面等离子体波激发装置中的光反射面,反射后的出射光经1/4波片后成为左旋和右旋园偏振光,园偏振光经检偏器变成线偏振光,旋转检偏器的检偏面,以进行相位补偿,该线偏振光经光电转换器转换成为电信号,该电信号经锁相放大器后输入计算机,显示测量结果,信号发生器发出信号给磁光调制器,磁光调制器对P波和S波的相位差进行调制,同时输入锁相放大器,对光电转换信号进行解调。
本发明设计的相位调制偏振型表面等离子体波传感器的另一种结构,包括激光器、起偏器、电光调制器、表面等离子体波激发装置、可调相位补偿器、检偏器、光电转换器、锁相放大器、计算机和信号发生器;由激光器产生的激光经起偏器后变成线偏振光,该线偏振光入射到表面等离子体波激发装置中的光反射面,反射后的出射光经可调相位补偿器进行相位补偿后,再经检偏器变成线偏振光,该线偏振光经光电转换器转换成为电信号,该电信号经锁相放大器后输入计算机,显示测量结果,信号发生器发出信号给电光调制器,电光调制器对P波和S波的相位差进行调制,同时输入锁相放大器,对光电转换信号进行解调。
利用本发明设计的相位调制偏振型表面等离子体波传感器,通过调整光学元件,使其在工作点处直流光强背景在理论上为零,并且通过调制,进一步提高传感器的分辨率。
附图说明
图1是已有技术结构示意图。
图2和图3是本发明设计的相位调制偏振型表面等离子体波传感器的结构示意图。
图1-图3中,1是激光器,2是起偏器,3是磁光调制器,4是表面等离子体波激发装置即传感部件,5是1/4波片,6是检偏器,7是光电转换器,8是信号发生器,9是锁相放大器,10是A/D转换器,11是计算机,12是电光调制器,13是可调相位补偿器。
具体实施方式
本发明设计的相位调制偏振型表面等离子体波传感器,包括激光器1、起偏器2、表面等离子体波激发装置4、1/4波片5、检偏器6、光电转换器7、锁相放大器9、计算机和信号发生器8、11以及磁光调制器3。由激光器1产生的激光经起偏器后变成线偏振光,该线偏振光入射到表面等离子体波激发装置4中的光反射面,反射后的出射光经1/4波片5后成为左旋和右旋园偏振光,园偏振光经检偏器6变成线偏振光,旋转检偏器6的检偏面,以进行相位补偿,该线偏振光经光电转换器7转换成为电信号,该电信号经锁相放大器9后输入计算机11,显示测量结果。信号发生器8发出信号给磁光调制器3,磁光调制器对P波和S波的相位差进行调制,同时输入锁相放大器9,对光电转换信号进行解调。
本发明设计的相位调制偏振型表面等离子体波传感器的零一种结构如图3所示,包括激光器1、起偏器2、电光调制器12、表面等离子体波激发装置4、可调相位补偿器13、检偏器6、光电转换器7、锁相放大器9、计算机11和信号发生器8。由激光器1产生的激光经起偏器2后变成线偏振光,该线偏振光入射到表面等离子体波激发装置4中的光反射面,反射后的出射光经可调相位补偿器13进行相位补偿后,再经检偏器6变成线偏振光,该线偏振光经光电转换器7转换成为电信号,该电信号经锁相放大器9后输入计算机,显示测量结果。信号发生器8发出信号给电光调制器12,电光调制器对P波和S波的相位差进行调制,同时输入锁相放大器9,对光电转换信号进行解调。
如图2所示的传感器的工作原理如下:激光器发出的光经扩光束系统成宽光平行光束,经起偏器13变成线偏振光,入射光即含P波Ep又含S波Es。令起偏方向和P波夹角为α,则Ep、Es和α有关系
Es/Ep=tgα
P波激发表面为离子体波,其反射系数为
是待测折射率函数。S波不能激发表面等离子体波,反射系数为
令
其中rs约为1,s近似为一个常数。光通过与P波成45°的1/4波片后,P波和S波分别变成左旋和右旋圆偏振光。磁光调制器对圆偏振光加一调制信号MsinΩt,其中M为相位调制振幅。Ω为调制频率。经检偏器6变成同一方向线偏振光,产生干涉。设检偏器检偏方向和P波的夹角为θ,则光电接收器7接收的光强信号为
p=p0+Δp
其中p0为选择的工作点。在不加调制时,在工作点光强为零的条件为:
这样可以通过调节起偏器2,使
tgα=rp使4.1式得到满足。通过调检偏器6使4.2式得到满足。实现在工作点没有调制时直流光强在理论上为零。
当4.1式和4.2式都得到满足时,
I=2rpEsEp[1-cos(Δp+MsinΩt)] (5)
由于M和Δp都是微小量,将(5)式用台劳公式展开得:
I=rpEsEp[Δp 2+M2sin2Ωt] (6)
+2rpEsEpΔpMsinΩt
同已有技术比较,此方案调试也比较方便。
图2所示的光学系统即为本发明的一个实施例。其中激光器选He-Ne激光器,功率1.5-3mw即可,单横模。起偏器检偏器用吸收片偏振器就可以。磁光调制器用普通法拉弟调制器或CN1215152A中的开放式磁光调制器都可以。光电接收器用PIN管即可。信号发生器及锁定放大器,计算机都有产品。
图3给出另外一种结构。在图3的方案中,用电光调制器代替了磁光调制器。值得注意得是:电光调制器是对线偏振光调制,所以应在P波和S波是线偏振时调制。
本发明表面等离子体波激发装置中,金膜厚度虽然在很宽的范围内都可以满足工作点处直流光强背景为零,但建议金膜厚度取40-45nm比较合适。
在共振激发表面等离子体波SPR谱的任意处,虽都可以选作工作点,使直流光强在理论上为零。但建议工作点选在rpmin处,或尽可能靠近。
本发明设计的传感器的调试方法如下(针对图2):
1、转动起偏器,使α=0,此时仪器相当于振幅型SPR传感器,改变入射角,找到rpmin的位置并记下大小。
2、转动起偏器使
3、不加调制信号,转动检偏器6找到直流光强最小的位置。
4、微调起偏器。进一步找到直流光强最小的位置。这时直流的大小在理论上应为零。实际上可以达到入射光强的1×10-3以下。
5、加调制,开始工作。
用其它方法进行相位补偿也满足工作点直流光强在理论上为零,不影响本方案实施。用其它方法对P波和S波的相位差进行调制不影响本方案的实施。
Claims (2)
1、一种相位调制偏振型表面等离子体波传感器,其特征在于该传感器包括激光器、起偏器、表面等离子体波激发装置、1/4波片、检偏器、光电转换器、锁相放大器、计算机和信号发生器以及磁光调制器;由激光器产生的激光经起偏器后变成线偏振光,该线偏振光入射到表面等离子体波激发装置中的光反射面,反射后的出射光经1/4波片后成为左旋和右旋园偏振光,园偏振光经检偏器变成线偏振光,旋转检偏器的检偏面,以进行相位补偿,该线偏振光经光电转换器转换成为电信号,该电信号经锁相放大器后输入计算机,显示测量结果,信号发生器发出信号给磁光调制器,磁光调制器对P波和S波的相位差进行调制,同时输入锁相放大器,对光电转换信号进行解调。
2、一种相位调制偏振型表面等离子体波传感器,其特征在于该传感器包括激光器、起偏器、电光调制器、表面等离子体波激发装置、可调相位补偿器、检偏器、光电转换器、锁相放大器、计算机和信号发生器;由激光器产生的激光经起偏器后变成线偏振光,该线偏振光入射到表面等离子体波激发装置中的光反射面,反射后的出射光经可调相位补偿器进行相位补偿后,再经检偏器变成线偏振光,该线偏振光经光电转换器转换成为电信号,该电信号经锁相放大器后输入计算机,显示测量结果,信号发生器发出信号给电光调制器,电光调制器对P波和S波的相位差进行调制,同时输入锁相放大器,对光电转换信号进行解调。
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