CN209624389U - 一种表面等离子体谐振检测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光学领域，更具体地，涉及一种表面等离子体谐振检测仪。包括光源、金属膜和检测装置，还包括凸透镜，若干所述的光源以不同的角度发射出入射光线射在金属膜的同一反射点上，所述的金属膜反射出射光线并经过所述的凸透镜，所述的检测装置设置在凸透镜的光轴上，所述的检测装置接收经凸透镜汇聚的出射光线。无需机械传动装置，进而提高检测仪的工作稳定性；并且在测量窄范围光谱时，光谱仪可以达到较高的分辨率，提高测量精度，从而也能有效地降低造价成本，提高检测速度。

Description

一种表面等离子体谐振检测仪

技术领域

本实用新型涉及光学领域，更具体地，涉及一种表面等离子体谐振检测仪。

背景技术

表面等离子体谐振是一种物理光学效应，利用光波在电介质和金属薄膜界面处发生全内反射时的消逝波，引发金属表面的自由电子产生表面等离子体波。表面等离子体波沿金属和电介质的边界传播，对金属外电介质的介电常数变化非常敏感。介电常数是介质最基本、最重要的物理参数之一。物质的组份、物质间的相互反应等往往都可以通过相关联介质介电常数的变化反映出来。自上世纪80年代以来，基于表面等离子体谐振效应的检测技术发展十分迅猛，目前该项技术已被广泛应用于物理、生物、化学、环保、医学等领域中。按光波与等离子体波的耦合方式，表面等离子体谐振检测仪可分为棱镜型、光纤及波导型和光栅型三种类型，调制方式又可分为角度调制、波长调制、相位调制、强度调制。角度调制中多采用单色光作为光源，通过步进电机驱动转台调节系统，逐点进行机械扫描，同时对反射光进行强度检测，获得谐振角度，从而计算被测介质介电常数。优点是角度扫描可以有较大的测量范围；缺点一是角度扫描需要入射光角度变化同时，要有探测装置角度伴随转动来保证反射光的接收。转台和探测装置的转动精度直接影响测量精度，因此对装置的要求较高，二是扫描时间长。波长调制中多采用卤钨灯作为光源，使白光以某一固定角度入射，利用光谱仪检测反射光谱。通过对反射光谱的吸收峰进行分析，从而实现介电常数的检测。优点是无需转台结构就可以方便地进行检测；缺点一是对光谱仪要求较高，虽然在每次检测中，只需将很窄一段的反射吸收光谱用来分析计算，但为了保证较大的介电常数测量范围，就需使用宽波长范围的光谱仪，既增加检测成本，又降低了测量分辨率。二是宽光谱的扫描时间较长，影响测量时间。

实用新型内容

本实用新型为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种表面等离子体谐振检测仪，无需机械传动装置，进而提高检测仪的工作稳定性；并且在测量窄范围光谱时，光谱仪可以达到较高的分辨率，提高测量精度，从而也能有效地降低造价成本，提高检测速度。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种表面等离子体谐振检测仪，包括光源、金属膜和检测装置，还包括凸透镜，若干所述的光源以不同的角度发射出入射光线射在金属膜的同一反射点上，所述的金属膜反射出射光线并经过所述的凸透镜，所述的检测装置设置在凸透镜的光轴上，所述的检测装置接收经凸透镜汇聚的出射光线。

在本装置中，金属膜外部是被测介质样品池，多个不同角度设置的光源发射出入射角度不同的入射光线，经过金属膜反射出出射光线，多个不同的出射光线均经过凸透镜，出射光线经过凸透镜汇聚到检测装置上，检测装置通过接收反射光线进而测算出不同被测介电常数下的吸收光谱曲线。

进一步的，还包括半柱形棱镜，所述的半柱形棱镜的直径平面镀有所述的金属膜。半柱形棱镜安装在被测介质样品池上，在光线射入的时候保证所有的光源发射出的入射光线均落至半柱形棱镜的圆心上，使反射光线均从同一反射点反射出。

进一步的，所述的光源包括宽带光源、光纤端和光纤准直器，所述的宽带光源通过光纤端输出，所述的光纤端接入若干光纤准直器发射出入射光线，若干所述的光纤准直器以若干不同角度固定在半柱形棱镜的半径平面上。其中，多个光纤准直器调整可滑动调整位置地设置在半柱形棱镜的半径平面上，在光纤准直器调整位置的时候，保证发射光线射向反射点，因此最终各个光纤准直器所发出的光线均通过同一反射点反射。这样相对于现有的检测仪中，检测仪的位置固定，无需通过角度调整机械跟随调整位置，只需要对光纤准直器的位置进行调整即可，因此稳定性好，方便光谱检测。

进一步的，所述的入射光线和出射光线均与半柱形棱镜的半径重合。

进一步的，所述的反射点位于所述的凸透镜的光轴上。

进一步的，所述的检测装置包括接收准直器和光谱仪，所述的接收准直器的中心和反射点位于凸透镜的光轴上并共轭。因此所有的反射光线的均聚焦于主轴上的同一点上，因此无需对接收准直器的位置进行调整也可测试各角度的反射光，既可以保证了测试结果的分辨率和精度，也可大大减少了检测时间和成本。

进一步的，所述的金属膜为金膜。

与现有技术相比，有益效果是：本装置用分立的、多角度光源取代了传统的角度机械跟随传动机构，减少提高了检测仪工作的稳定性，同时还有效地降低了造价成本，提高了检测速度；凸透镜的设计保证了各角度的反射光都可被光谱仪准确接收到，并根据采集的光谱进行介电常数检测。

附图说明

图1是本实用新型整体结构示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

如图1所示，一种表面等离子体谐振检测仪，包括光源、金属膜5和检测装置，其中，光源包括宽带光源1、光纤端2和光纤准直器3，宽带光源1通过光纤端2输出，光纤端2接入若干个光纤准直器3发射入射光线。光纤准直器3安装在半柱形棱柱上。具体的，半柱型棱柱为二分之一圆柱形的棱镜，在半柱形棱镜4的直径平面上镀有金属膜5，半柱形棱镜4架设在被测介质样品池6使金属膜5置于被测介质样品上方。

多个光纤准直器3分别以不同的安装角度设置在半柱形棱镜4的半径平面上，多个光纤准直器3所发射的入射光线均射向同一反射点，反射点位于半柱形棱镜4的轴线上。入射光线射至反射点反射出出射光线，入射光线和出射光线均与半柱形棱镜4的半径重合。其中，光纤准直器3的位置可调，可沿半柱形棱镜4的半径平面滑动，滑动时光纤准直器3的反射点保持朝向反射点方向不改变，因此可以保证所有的入射光线都经过同一个反射点进行反射。所有的光纤准直器3均设置在半柱形棱镜4的一侧，即如图所示以半圆中心垂线的分割的A侧，入射光线经过金属膜5的反射，从反射点向B侧反射射出半柱形棱镜4，在B侧还设置了凸透镜7，从反射点反射出来的出射光线经过凸透镜7汇聚，经过汇聚的出射光线由设置在凸透镜7一侧的检测装置进行接收检测。

在本实施例中，检测装置包括接收准直器8和光谱仪9，接收准直器8和反射点均位于凸透镜7的光轴上并共轭因此所有的反射光线的均聚焦于主轴上的同一点上，因此无需对接收准直器8的位置进行调整也可测试各角度的反射光，既可以保证了测试结果的分辨率和精度，也可大大减少了检测时间和成本。

具体的，在本装置中，所采用的金属膜5为贵金属膜5，具体为金膜。

在本装置中，多个不同角度设置的光源发射出入射角度不同的入射光线，经过金属膜5反射出出射光线，多个不同的出射光线均经过凸透镜7，出射光线经过凸透镜7汇聚到检测装置上，检测装置通过接收反射光线进而测算出不同被测介电常数下的吸收光谱曲线。通过使用本装置，无需机械传动装置，进而提高检测仪的工作稳定性；并且在测量窄范围光谱时，光谱仪可以达到较高的分辨率，提高测量精度，从而也能有效地降低造价成本，提高检测速度。

其中，在本装置中，对表面等离子体谐振原理的波长调制传感机理如下式：

其中

上述式中，R为光反射率；r_prm、r_ms分别为棱镜与金属层界面、金属层与待测介质界面的菲涅尔反射系数；k_zpr、k_zm、k_zs分别为棱镜、金属层和待测介质中电磁场垂直于各界面方向的波矢，k_x为棱镜中光波平行于棱镜与金属层界面方向的波矢；d为金属层的厚度；ε_pr、ε_m、ε_s分别为棱镜、金属层和待测介质的介电常数；θ_pr为光波的入射角；λ为入射光波长。

因此，在利用本装置进行检测的时候，可知金属膜5的厚度、材料和半柱形棱柱的材料，反射率R为λ、ε_s和θ_pr的函数，表示为R[λ，ε_s，θ_pr]。

对应于某一特定的光波入射角θ_pr，R为λ和ε_s的函数，表示为R[λ,ε_s]，对应于某个ε_s，宽带光源1的某个波长λ处会产生一个谐振吸收峰。ε_s变化时，谐振波长λ也会随之相应变化，即在谐振点R最小，谐振波长λ与待测介质介电常数ε_s一一对应，测量出谐振波长λ，就可求出待测介质介电常数ε_s。若吸收峰的位置不在宽带光源1波长范围内，也可通过选择不同的入射角θ_pr，把谐振波长λ的值调节到光源覆盖的波段内。通过选择的入射角θ_pr，检测出谐振波长就可计算出待测介质的介电常数ε_s。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种表面等离子体谐振检测仪，包括光源、金属膜(5)和检测装置，其特征在于，还包括凸透镜(7)，若干所述的光源以不同的角度发射出入射光线射在金属膜(5)的同一反射点上，所述的金属膜(5)反射出射光线并经过所述的凸透镜(7)，所述的检测装置设置在凸透镜(7)的光轴上，所述的检测装置接收经凸透镜(7)汇聚的出射光线。

2.根据权利要求1所述的一种表面等离子体谐振检测仪，其特征在于，还包括半柱形棱镜(4)，所述的半柱形棱镜(4)的直径平面镀有所述的金属膜(5)。

3.根据权利要求2所述的一种表面等离子体谐振检测仪，其特征在于，所述的光源包括宽带光源(1)、光纤端(2)和光纤准直器(3)，所述的宽带光源(1)通过光纤端(2)输出，所述的光纤端(2)接入若干光纤准直器(3)发射出入射光线，若干所述的光纤准直器(3)以若干不同角度固定在半柱形棱镜(4)的半径平面上。

4.根据权利要求1所述的一种表面等离子体谐振检测仪，其特征在于，所述的入射光线和出射光线均与半柱形棱镜(4)的半径重合。

5.根据权利要求1所述的一种表面等离子体谐振检测仪，其特征在于，所述的反射点位于所述的凸透镜(7)的光轴上。

6.根据权利要求5所述的一种表面等离子体谐振检测仪，其特征在于，所述的检测装置包括接收准直器(8)和光谱仪(9)，所述的接收准直器(8)的中心和反射点位于凸透镜(7)的光轴上并共轭。

7.根据权利要求1-6任一所述的一种表面等离子体谐振检测仪，其特征在于，所述的金属膜(5)为金膜。