CN1141571C - 自适应表面等离子体波气体折射率传感元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自适应表面等离子体波气体折射率传感元件，包括一个三角棱镜ABCEDF，其特征在于在三角棱镜的光出射面ECBF上附加一个屋脊棱镜ECBFGH，光从ABFD面入射，经传感面ACED反射，经屋脊面BCHG面反射，经屋脊面HGFE反射，经传感面ACED反射，经原ABFD面出射。本发明设计的传感元件，与其它已报道的表面等离子体波相比，不仅有可能提供优于1×10^-7的折射率分辨率，而且对光束漂移不灵敏，理论计算表明，当光束漂移1×10^-5弧度时，对折射率测量的影响小于1×10^-7折射率单位，因而系统地形图稳定性将得到很大提高。

Description

自适应表面等离子体波气体折射率传感元件

技术领域

本发明涉及一种自适应表面等离子体波气体折射率传感元件，属工业测量技术领域。

背景技术

利用光共振激发表面等离子体波(Surface plasmon resonance，简称SPR)技术，可以研制出高分辨率折射率传感器，加上特定的功能膜，可以对特定的分子有选择灵敏度增强作用，使测量分辨率提高几十倍。因而SPR技术在物理、化学生物和工业应用领域得到广泛关注。SPR传感器的核心是折射率传感元件。

早期的SPR折射率传感器主要利用反射光的振幅特性，这种折射率传感器的分辨率通常在10^-5-10^-6折射率单位的范围。近期的研究表明：利用反射光的相位特性和干涉技术，可以将SPR折射率传感器的短期分辨率提高到优于×10^-7。但是，SPR传感器不仅对折射率灵敏，对入射光波长和入射角同样灵敏。如果要保证除折射率变化引起的长期测量误差小于1×10^-7折射率单位。对λ＝632.8的光来说，要求波长稳定性优于1×10^-7。用稳频He-Ne激光器很容易满足这一要求，而入射角的稳定性要求小于2×10^-7孤度，要想在长时间内控制光束的方向漂移小于2×10^-7孤度则是相当困难的。这主要是传感器中的传感元件对折射率、波长和入射角都敏感。如果能设计一种新型传感元件，这个元件仅对折射率和波长敏感，而对入射角不敏感，则可以提高传感器的长期稳定性和分辨率。

发明内容

本发明的目的是设计一种自适应表面等离子体波气体折射率传感元件，即设计新的光学元件，使光学系统对折射率仍然非常敏感，而对光束方向漂移变得非常不灵敏。这样，即使工作中光束漂移，对测量也没有影响，从而提高传感器的稳定性和分辨率。

本发明设计的自适应表面等离子体波气体折射率传感元件，包括一个三角棱镜ABCEDF，其特征在于在三角棱镜的光出射面ECBF上附加一个屋脊棱镜ECBFGH，光从ABFD面入射，经传感面ACED反射，经屋脊面BCHG面反射，经屋脊面HGFE反射，经传感面ACED反射，经原ABFD面出射。

本发明设计的自适应表面等离子体波气体折射率传感元件，与其它已报道的表面等离子体波相比，不仅有可能提供优于1×10^-7的折射率分辨率，而且对光束漂移不灵敏，理论计算表明，当光束漂移1×10^-5孤度时，对折射率测量的影响小于1×10^-7折射率单位，因而系统的稳定性将得到很大提高。

附图说明

图1是已有技术的传感元件结构示意图。

图2是本发明设计的传感元件结构示意图。

具体实施方式

图1为已有技术的表面等离子体波传感元件，它就是一个三棱镜。其中入射光线垂直于平面ABFD，出射光线垂直于BCEF，光线入射面平行于平面ABC。反面ACED为传感面，在其面上有厚40-45nm的金膜，或加折射率匹配液后再加镀有厚40-45nm金膜的玻璃片。光激发表面等离子体波的特性同金膜外的折射率有关，也同入射角和入射光波长有关。

对图1的传感元件，如果入射光束因漂移而相对传感元件在入射面内改变Δα，则入射角改变Δα，对测量造成的影响为

图2所示是本发明设计的表面等离子体波元件，它的结构就是在原三棱镜光出射面BCEF上加一屋脊棱镜BCEFHG，其中角CHE为直角。图2所示结构中，光线传播如下：光从ABFD面入射——经传感面ACED反射——经屋脊面BCHG面反射——经屋脊面HGFE反射——经传感面ACED反射——经原ABFD面出射。

屋脊棱镜BFECHG有两个作用：第一个作用是折光，使出射光和入射光不重合，以便安排光学系统。第二个作用是它的功能相当于在平面BFEG的全反射；这样，当入射光束漂移Δα时，光第一次在传感面上的入射角改变Δα，在BFEC面的入射角改变Δα，而在BFEC的出射光则改变-Δα，这样，光第二次在传感面上的入射角则改变-Δα。这样当光束漂移Δα时，对测量造成的影响将是： $\frac{\∂n}{\∂\mathrm{\α}}(\mathrm{\Δ\α}-\mathrm{\Δ\α})=0,$ 也就是说光束漂移对测量的影响一次误差为零。

本光学传感元件在允许光束漂移的情况下，实现了光束漂移对测量没有一次误差的影响。传感元件自动适应了光束漂移的外界环境，因而称其为自适应表面等离子体波气体折射率传感元件。

值得指出的是：上述传感元件消除一次影响误差，不消除二次影响误差。理论计算表明：当光束改变1×10^-5弧度时，对测量引起的误差小于1×10^-7折射率单位。当光束改变1×10^-4弧度时，对测量引起的误差小于1×10^-5折射率单位。其影响程度大约与角度改变的平方成正比。

本发明适用于偏振型表面等离子体波传感器，特别适用于高分辨率的气体折射率传感。

Claims (1)

1、一种自适应表面等离子体波气体折射率传感元件，包括一个三角棱镜ABCEDF，其特征在于在三角棱镜的光出射面ECBF上附加一个屋脊棱镜ECBFGH，光从ABFD面入射，经传感面ACED反射，经屋脊面BCHG面反射，经屋脊面HGFE反射，经传感面ACED反射，经原ABFD面出射。

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