CN1158518C - 使偏振表面等离子体传感器反射谱最低点为零的调试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使偏振表面等离子体传感器反射谱最低点为零的调试方法，首先将传感器中的检偏器放在检偏45°的方向，将起偏器放在起偏角α＝0的位置，此时S波的电场为零，设初始待测介质的折射率为n₁，记录最小值R_min以及与此最小值相对应的光入射角θ_SPR，调节传感器旋转平台，使光电接收器输出的光电信号极小，此时光入射角为θ_SPR，旋转起偏器，尽量满足调节相位补偿器，使光电接收器的输出信号极小，调节起偏器，使光电接收器输出信号极小。本发明的优点是在激发表面等离子体波的条件下，不论传感器的光反射面上的金膜厚度的大小，都可以通过调节光学系统，使SPR谱的最小值为零，从而有效地提高传感器的分辨率。

Description

使偏振表面等离子体传感器反射谱最低点为零的调试方法

技术领域

本发明涉及一种使偏振表面等离子体传感器反射谱最低点为零的调试方法，属工业测量技术领域。

背景技术

表面等离子体波共振(Surface Plasmon Resenance，简称SPR)传感器近十多年在生物、化学、物理和工业应用等领域越来越受到广泛重视。这主要是因为它的检测灵敏度高，可以在线测量及可检测各种不同的参量。SPR传感器目前多用角度或波长扫描方法，所谓扫描并非一定有机械扫描系统，也可以用其他方法，目的是得到一个SPR谱。本发明只涉及角度/波长扫描方法的偏振型SPR传感器。在下文中说的传感器即指这一工作模式。

SPR传感器可以分振幅型和偏振型两种，振幅型工作原理仅利用反射光的振幅特性，偏振型则同时利用反射光的振幅和相位特性，利用了干涉技术。已报导的文献表明，偏振型SPR传感器比振幅型SPR传感器可以给出更高的测量分辨率。但是已有的文献中(不论我们的和他人的)都没有给出一个合理的调试方法和设计中应注意的关键问题。而且偏振型SPR传感器的调试非常重要。如果不知道如何调试，即使系统非常好，也得不到好的实验结果。已报导的文献中就有上述情况。

发明内容

本发明的目的是提出一种使偏振表面等离子体传感器反射谱最低点为零的调试方法，以提高传感器的分辨率。

本发明提出的使偏振表面等离子体传感器反射谱最低点为零的调试方法，其中的传感器的光路为：激光经起偏器后变成线偏振光，该线偏振光中含有P波和S波，线偏振光入射到传感器的光反射面后，出射成为椭圆偏振光，经相位补偿器和检偏器后，成为线偏振光，该光信号经光电接收器后转换成电信号，上述的传感器的调制方法包括以下步骤：

(1)将检偏器放在检偏45°的方向；

(2)将起偏器放在起偏角α＝0的位置，此时S波的电场为零，传感器相当于振幅型传感器；

(3)设初始待测介质的折射率为n₁，记录振幅型等离子体波谱的最小值R_min以及与此最小值相对应的光入射角θ_SPR；

(4)调节传感器旋转平台，使光电接收器输出的光电信号极小，此时光入射角为θ_SPR；

(5)旋转起偏器，尽量满足 $\mathrm{tg\α}=\sqrt{R_{\min }};$

(6)调节相位补偿器，使光电接收器的输出信号极小；

(7)调节起偏器，使光电接收器输出信号极小。

上述传感器的光路还可以为：激光经起偏器后变成线偏振光，该线偏振光中含有P波和S波，线偏振光入射到传感器的光反射面后，出射成为椭圆偏振光，经1/4波片后，P波和S波分别为圆偏振光，经检偏器后成为线偏振光，该光信号经光电接收器后转换成电信号，上述传感器的调制方法包括以下步骤：

(1)将1/4波片放在45°的方向；

(2)将起偏器放在起偏角α＝0的位置，此时S波的电场为零；

(3)设初始待测介质的折射率为n₁，记录振幅型等离子体波谱的最小值R_min以及与此最小值相对应的光入射角θ_SPR；

(4)调节传感器旋转平台，使光电接收器输出的光电信号极小，此时光入射角为θ_SPR；

(5)旋转起偏器，尽量满足 $\mathrm{tg\α}=\sqrt{R_{\min }};$

(6)调节检偏器，使光电接收器的输出信号极小；

(7)调节起偏器，使光电接收器输出信号极小。

通过上面所给的调节方法，可以达到在折射率为n₁时，得到的SPR谱最小值在理论上为零，实际能达到的最小值通常低于0.1％。在折射率变化时，振幅型SPR谱的最小值为r_min(n)。对偏振型SPR传感器，即使不能保证理论上为零，理论分析的最小值为[r_min(n)-r_min(n₁)]²，对某些情况的具体计算表明：[r_min(n)-r_min(n₁)]²小于0.1％。

本发明的优点是：在激发表面等离子体波的条件下，不论传感器的光反射面上的金膜厚度的大小，都可以通过调节光学系统，使SPR谱的最小值为零，并且在待测介质折射率在初始条件附近变化时，仍能保证SPR谱的最小值接近零，从而有效地提高了传感器的分辨率。

附图说明

图1和图2为被本发明的方法调试的两种不同的传感器的结构示意图。图1和图2中，1是激光器，2是起偏器，3是表面等离子体波激发装置，4是可调相位补偿器，5是检偏器，6是光电接收器，7是计算机，8是1/4波片。

具体实施方式

本发明所依据的原理描述如下：SPR传感器是利用P波共振激发表面等离子传波时，光反射系数对待测折射率(分子浓度及其他折射率或薄膜厚度变化的量，但都可以等效为折射率的变化。)非常灵敏的原理而研制的。其反射系数 是一个复数。它是入射光波长λ、入射角θ和待测折射率n的函数，记作 (λ，θ，n)。如果固定λ或θ中的一个，在某一特定的折射率下，θ或λ中的另一个变化，将得到一个谱，称为SPR谱。如变化的是入射角θ，称为角度扫描谱。这个谱有一个极小值，极小值所对应的角θ_SPR称为共振角。当折射率变化时，可以得到另一个谱和另一个共振角，比较两个共振角的变化，就可以知道折射率的变化，折射率分辨率

$\mathrm{\δn}=\mathrm{\δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{SPR}}/\frac{{\∂\mathrm{\θ}}_{\mathrm{SPR}}}{\∂n}---\left(1\right)$

其中δθ_SPR是共振角分辨，θ_SPR/n是单位折射率变化引起共振角的变化。θ_SPR的分辨率同谱线宽度和最低点的值有关。谱线越窄，分辨率越好，谱线最低点值越小，分辨率越好。上面的分析方法对波长扫描模式也适用。只不过(1)式变为

$\mathrm{\δn}={\mathrm{\δ\λ}}_{\mathrm{SPR}}/\frac{{\∂\mathrm{\λ}}_{\mathrm{SPR}}}{\∂n}---\left(2\right)$

对振幅型SPR传感器和偏振型SPR传感器公式都是一样的。

在理论上，振幅型SPR传感器得到的SPR谱最低点的值可以为零，这只要严格控制金膜厚度即可。但实际上这是不可能的。通常能将SPR谱的最小值控制在3％已经很好了。

偏振型SPR传感器则不同，不论金膜厚度合适与否，只要可以激发表面等离子体波，通过调节光学系统，就可以使得到的SPR谱最低点的值为零。我们实验最低值为3.3×10^-4，比通常低两个数量级。以上的分析表明：对SPR传感器，提高分辨率的关键是得到SPR谱的最低值尽可能的小。

在具体测量中，当折射率为n₁时，如得到的SPR谱最低值非常小，由此可得到θ_SPR的不确定度非常好。如果在折射率为n₂时，得到的SPR谱最低值变大，这样当折射率为n₂时得到的θ_SPR不确定度就不好，最后得到的折射率变化也就不可能很准确。因此要在一个测量范围内得到好的测量分辨率，必须在这个范围内得到所有SPR谱的最低值都非常小。

偏振型SPR传感器分角度扫描和波长扫描两类，每一类又可用机械扫描方法不同时间得到SPR谱和用CCD接收方法同时得到SPR谱两种，另外在干涉型SPR传感器中，总有一个相位补偿和检偏系统，这个系统可以用一个可调相位补偿器和一个检偏器组成，也可以用一个λ/4波片和一个检偏器组成。这样装置的具体结构形式至少有八种。虽然并非这八种都有文献报导，但本发明也无意对其他装置提出权利要求。本发明仅给出机械角度扫描两种具体结构，说明其设计中的关键问题和调试方法。这些对其他各种具体结构同样适用。

用本发明的方法调试的机械角度扫描干涉型SPR传感器的两种不同结构见图1和图2。从装置图上不难看出，同振幅型SPR传感器比较，偏振型传感器仅增加了相位补偿和检偏系统，所以任何一种振幅型SPR传感器都可以非常方便地改造为偏振SPR型传感器。图1所示的系统理论分析比较简单，图2的系统结构更简单，更实用。图中有一θ-2θ精密转台，未画出。作用是激发装置旋转角度θ，接收系统转2θ。

起偏器2使入射光为线偏振光，同振幅型传感器不同，这里入射光即含P波又含S波，设起偏方向同P波方向夹角为α，则入射波

通过旋转起偏器2可以改变α的值，从而达到改变入射光Es和Ep的比例。设系统对P波和S波的反射系数分别

r_s实际约为1，令

则

                          ρ＝r_p/r_s＝r_p

                          _ρ＝_p-_s

补偿器的快轴放置在P方向，令补偿相位为Δ，检偏器5的检偏方向同P波夹角为45°，最后光电接收器得到的光强为

(5)式的物理意义很清楚，在没有相位补偿时得到的光强相当于

和

两个波干涉。

(5)式可以写成下面形式

从(6)式可以得到I为零的条件

不论

为何值时，都可以通过调节起偏器使7.1式得到满足，调节相位补偿器使7.2式得到满足。

为任何值包括了两重意义：首先不论金膜镀得合适与否，都可以通过调节光学系统使用偏振法得到的SPR谱最低值为零。另一重意义是：在原振幅SPR谱的任意处都可以调节光学系统使用偏振法得到的SPR谱最低值为零。

对图2所示的系统，1/4波片的快抽方向同P波成45°角，检偏器同P波成Δ角，得到的结果为

I为零的条件为

结论定性是一样的。对任意的 通过调节起偏器2使9.1式得到满足，调节检偏器5使9.2式得到满足。由于1/4波片比宽光束可调相位补偿器便宜得多，所以图2所示的系统更实用。得到(8)要用矩阵光学的知识，这里从略。

现在考虑要得到好的分辨率的第二个条件：在测量折射率的范围内，所有的SPR谱最低值都为零。首先我们指出，不可能对每一个折射率变化都调节一次光学系统，麻烦是小事，这里说的不可能是理论上不允许。前面分析了

为任意值的两重义。当n不变时，可以通过调节光学系统得到多个使SPR谱最低值为零的θ_SPR。这样的调节将使测量变得毫无意义。因此，在一次仪器调节好后，不再调节光学系统，在待测折射率变化范围内用偏振型SPR传感器得到所有SPR谱最低点为零的条件是什么？理论分析表明：实现上述要求的充分且必要条件是；在所测折射率变化范围内，对不同的n在复平面作 $\widetilde{\mathrm{\ρ}}\left(\mathrm{\θ}\right)/\widetilde{\mathrm{\ρ}}\left(\mathrm{\λ}\right)$ 的轨迹，所有的轨迹都交于一点，且此点选作初始调节的SPR谱的零点。这样一个充分必要条件看来非常苛刻，实际计算表明：在测量范围不太大(0.04)的情况下，上述条件基本满足，且交点基本在r_p的最小值处。这一发现为调试提供了理论根据。

偏振型SPR传感器金膜厚度选择原则为

                        d＜d_c                                  (10)d_c为临界金度膜厚度，也就是理论上振幅型SPR谱最低点为零时所对应的金膜厚度。在工艺保证(10)式的条件下，尽可能接近d_c。

Claims (2)

1、一种使偏振表面等离子体传感器反射谱最低点为零的调试方法，所述的传感器的光路为：激光经起偏器后变成线偏振光，该线偏振光中含有P波和S波，线偏振光入射到传感器的光反射面后，出射成为椭圆偏振光，经相位补偿器和检偏器后，成为线偏振光，该光信号经光电接收器后转换成电信号，其特征在于所述的传感器的调制方法包括以下步骤：

(1)将检偏器放在检偏45°的方向；

(2)将起偏器放在起偏角α＝0的位置，此时S波的电场为零，传感器相当于振幅型传感器；

(3)设初始待测介质的折射率为n₁，记录振幅型等离子体波谱的最小值R_min以及与此最小值相对应的光入射角θ_SPR；

(4)调节传感器旋转平台，使光电接收器输出的光电信号极小，此时光入射角为θ_SPR；

(5)旋转起偏器，尽量满足 $\mathrm{tg\α}=\sqrt{R_{\min }};$

(6)调节相位补偿器，使光电接收器的输出信号极小；

(7)调节起偏器，使光电接收器输出信号极小。

2、一种使偏振表面等离子体传感器反射谱最低点为零的调试方法，所述的传感器的光路为：激光经起偏器后变成线偏振光，该线偏振光中含有P波和S波，线偏振光入射到传感器的光反射面后，出射成为椭圆偏振光，经1/4波片后，P波和S波分别为圆偏振光，经检偏器后成为线偏振光，该光信号经光电接收器后转换成电信号，其特征在于所述的传感器的调制方法包括以下步骤：

(1)1/4波片放在45°的方向；

(2)将起偏器放在起偏角α＝0的位置，此时S波的电场为零，传感器相当于振幅型传感器；

(3)设初始待测介质的折射率为n₁，记录振幅型等离子体波谱的最小值R_min以及与此最小值相对应的光入射角θ_SPR；

(4)调节感器旋转平台，使光电接收器输出的光电信号极小，此时光入射角为θ_SPR；

(5)旋转起偏器，尽量满足 $\mathrm{tg\α}=\sqrt{R_{\min }};$

(6)调节检偏器，使光电接收器的输出信号极小；

(7)调节起偏器，使光电接收器输出信号极小。

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