CN1158519C - 角度调制偏振型表面等离子体波传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种角度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，入射到传感部件中的光反射面，反射后的出射光经1/4波片后成为左旋和右旋圆偏振光，经检偏器变成线偏振光，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，该信号输入角度调制器，对入射到激发装置的入射光的入射角进行调制。本发明设计的光学系统，可以通过调节，使工作点直流光强背景在理论上为零，从而减少了光学系统的白噪声对测量的影响，可以进一步提高测量的分辨率。

Description

角度调制偏振型表面等离子体波传感器

技术领域

本发明涉及一种角度调制偏振型表面等离子体波传感器，属工业测试技术领域。

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。本申请人后来又将这种传感器进行了改进，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。并申请了专利，申请号为98124488.2，该技术的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，因而传感器的噪声还比较大。

发明内容

本发明的目的是设计一种角度调制偏振型表面等离子体波传感器，使其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。

本发明设计的角度调制偏振型表面等离子体波传感器，包括激光器、起偏器、传感部件、1/4波片、检偏器、光电转换器、锁相放大器、计算机以及信号发生器和角度调制器；由激光器产生的激光经起偏器后变成线偏振光，该线偏振光入射到传感部件中的光反射面，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，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，该信号输入角度调制器，对入射到传感部件的入射光的入射角进行调制，同时输入锁相放大器，对光电转换信号进行解调。

本发明设计的传感器，同已有技术相比较，本发明采用角度调制而非磁光调制；另外，本发明给出的光学系统，可以通过调节，使工作点直流光强背景在理论上为零，从而减少了光学系统的白噪声对测量的影响，可以进一步提高测量的分辨率。

附图说明

图1是已有技术结构示意图。

图2是本发明设计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是直流放大器，11是计算机，12是角度调制器。

具体实施方式

如图2所示，本发明设计的角度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、传感部件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11、信号发生器8以及角度调制器12。由激光器1产生的激光经起偏器2后变成线偏振光，该线偏振光入射到传感部件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，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，该信号输入角度调制器12，对入射到传感部件4的入射光的入射角进行调制，同时输入锁相放大器9，对光电转换信号进行解调。

上述传感器的工作原理如下：激光经起偏器2变成线偏振光，入射光即含P波E_p又含S波E_s。令起偏方向和P波夹角为α，则E_p、E_s和α有关系

                           E_s/E_p＝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r_s约为1，_s近似为一个常数。通过信号发生器控制角度调制器实现角度调制。设调制振幅为M’，调制频率Ω。在P波反射率最小点，这个角度调制实际上仅对_p起调制作用，相当于相位调制。其相位调制振幅大小

其中α₀为共振角。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。经检偏器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，则光电按收器接收的光强信号为

上式虽然复杂，但物理意义简单，在θ＝0 M＝0的情况，上式相当于E_s波和 ${\tilde{r}}_p{E}_p{e}^{-i\frac{\mathrm{\π}}{2}}$ 两个波的干涉，令

                          _p＝_p0+Δ_p其中_p0为选择的工作点。在不加调制时，在工作点I为零的条件为：

这样可以通过调节起偏器2，使

                           tgα＝r_p使4.1式得到满足。通过调检偏器使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＝2r_pE_sE_p[1-cos(Δ_p+M sinΩt)]       (5)

由于M和Δ_p都是微小量，将(5)式用台劳公式展开得：

                           I＝r_pE_sE_p[Δ_p ²+M²sin²Ωt]

                              +2r_pE_sE_pΔ_pMsinΩt                 (6)

(6)式的第一项含有直流背景，但它是一个二阶小量，比前一个专利所给的方案小得多。第二项为频率为Ω的的信号，它正比于Δ_p和M。用锁定放大器可以将Δ_p检测出来。折射率控测分辨率

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一个实施例。其中激光器选He-Ne激光器，功率1.5-3mw即可。起偏器检偏器用吸收片偏振器就可以。光电按收器用PIN管即可。信号发生器及锁定放大器，计算机都有产品，角度调制器由两个压电陶瓷组成。

本发明的传感器中，传感部件光反射面上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在理论上为零，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r_pmin处，或尽可能靠近。

本发明设计的传感器的调试方法如下：

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r_pmin的位置并记下大小。

2、转动起偏器，尽可能使

                            tgα＝r_pmin

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。

其它角度调制方法不影响本方案实施。

用其它相位补偿的方法，只要满足工作点直流光强在理论上为零，不影响本方案实施。用其它角度调制的方法，只要能够对光激发表面等离子体波入射面的入射角进行调制，不影响本方案的实施。

Claims (1)

1、一种角度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、传感部件、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角度调制器；由激光器产生的激光经起偏器后变成线偏振光，该线偏振光入射到传感部件中的光反射面，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，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，该信号输入角度调制器，对入射到传感部件的入射光的入射角进行调制，同时输入锁相放大器，对光电转换信号进行解调。