使偏振表面等離子體傳感器反射譜最低點為零的調試方法
2023-05-10 08:49:56 1
專利名稱：使偏振表面等離子體傳感器反射譜最低點為零的調試方法
技術領域：
本發明涉及一種使偏振表面等離子體傳感器反射譜最低點為零的調試方法，屬工業測量技術領域。
SPR傳感器可以分振幅型和偏振型兩種，振幅型工作原理僅利用反射光的振幅特性，偏振型則同時利用反射光的振幅和相位特性，利用了幹涉技術。已報導的文獻表明，偏振型SPR傳感器比振幅型SPR傳感器可以給出更高的測量解析度。但是已有的文獻中(不論我們的和他人的)都沒有給出一個合理的調試方法和設計中應注意的關鍵問題。而且偏振型SPR傳感器的調試非常重要。如果不知道如何調試，即使系統非常好，也得不到好的實驗結果。已報導的文獻中就有上述情況。
本發明提出的使偏振表面等離子體傳感器反射譜最低點為零的調試方法，其中的傳感器的光路為雷射經起偏器後變成線偏振光，該線偏振光中含有P波和S波，線偏振光入射到傳感器的光反射面後，出射成為橢圓偏振光，經相位補償器和檢偏器後，成為線偏振光，該光信號經光電轉換器後轉換成電信號，上述的傳感器的調製方法包括以下步驟(1)將檢偏器放在檢偏45°的方向；(2)將起偏器放在起偏角α＝0的位置，此時S波的電場為零，傳感器相當于振幅型傳感器；(3)設初始待測介質的折射率為n1，記錄振幅型等離子體波譜的最小值Rmin以及與此最小值相對應的光入射角θSPR；(4)調節傳感器旋轉平臺，使光電接收器輸出的光電信號極小，此時光入射角為θSPR；
(5)旋轉起偏器，儘量滿足tg=Rmin;]]>(6)調節相位補償器，使光電接收器的輸出信號極小；(7)調節起偏器，使光電接收器輸出信號極小。
上述傳感器的光路還可以為雷射經起偏器後變成線偏振光，該線偏振光中含有P波和S波，線偏振光入射到傳感器的光反射面後，出射成為橢圓偏振光，經1/4波片後，P波和S波分別為圓偏振光，經檢偏器後成為線偏振光，該光信號經光電轉換器後轉換成電信號，上述傳感器的調製方法包括以下步驟(1)將1/4波片放在45°的方向；(2)將起偏器放在起偏角α＝0的位置，此時S波的電場為零；(3)設初始待測介質的折射率為n1，記錄振幅型等離子體波譜的最小值Rmin以及與此最小值相對應的光入射角θSPR；(4)調節傳感器旋轉平臺，使光電接收器輸出的光電信號極小，此時光入射角為θSPR；(5)旋轉起偏器，儘量滿足tg=Rmin;]]>(6)調節檢偏器，使光電接收器的輸出信號極小；(7)調節起偏器，使光電接收器輸出信號極小。
通過上面所給的調節方法，可以達到在折射率為n1時，得到的SPR譜最小值在理論上為零，實際能達到的最小值通常低於0.1％。在折射率變化時，振幅型SPR譜的最小值為rmin(n)。對偏振型SPR傳感器，即使不能保證理論上為零，理論分析的最小值為[rmin(n)-rmin(n1)]2，對某些情況的具體計算表明[rmin(n)-rmin(n1)]2小於0.1％。
本發明的優點是在激發表面等離子體波的條件下，不論傳感器的光反射面上的金膜厚度的大小，都可以通過調節光學系統，使SPR譜的最小值為零，並且在待測介質折射率在初始條件附近變化時，仍能保證SPR譜的最小值接近零，從而有效地提高了傳感器的解析度。
在理論上，振幅型SPR傳感器得到的SPR譜最低點的值可以為零，這只要嚴格控制金膜厚度即可。但實際上這是不可能的。通常能將SPR譜的最小值控制在3％已經很好了。
偏振型SPR傳感器則不同，不論金膜厚度合適與否，只要可以激發表面等離子體波，通過調節光學系統，就可以使得到的SPR譜最低點的值為零。我們實驗最低值為3.3×10-4，比通常低兩個數量級。以上的分析表明對SPR傳感器，提高解析度的關鍵是得到SPR譜的最低值儘可能的小。
在具體測量中，當折射率為n1時，如得到的SPR譜最低值非常小，由此可得到θSPR的不確定度非常好。如果在折射率為n2時，得到的SPR譜最低值變大，這樣當折射率為n2時得到的θSPR不確定度就不好，最後得到的折射率變化也就不可能很準確。因此要在一個測量範圍內得到好的測量解析度，必須在這個範圍內得到所有SPR譜的最低值都非常小。
偏振型SPR傳感器分角度掃描和波長掃描兩類，每一類又可用機械掃描方法不同時間得到SPR譜和用CCD接收方法同時得到SPR譜兩種，另外在幹涉型SPR傳感器中，總有一個相位補償和檢偏系統，這個系統可以用一個可調相位補償器和一個檢偏器組成，也可以用一個λ/4波片和一個檢偏器組成。這樣裝置的具體結構形式至少有八種。雖然並非這八種都有文獻報導，但本發明也無意對其他裝置提出權利要求。本發明僅給出機械角度掃描兩種具體結構，說明其設計中的關鍵問題和調試方法。這些對其他各種具體結構同樣適用。
用本發明的方法調試的機械角度掃描幹涉型SPR傳感器的兩種不同結構見
圖1和圖2。從裝置圖上不難看出，同振幅型SPR傳感器比較，偏振型傳感器僅增加了相位補償和檢偏系統，所以任何一種振幅型SPR傳感器都可以非常方便地改造為偏振SPR型傳感器。圖1所示的系統理論分析比較簡單，圖2的系統結構更簡單，更實用。圖中有-θ-2θ精密轉臺，未畫出。作用是激發裝置旋轉角度θ，接收系統轉2θ。
起偏器2使入射光為線偏振光，同振幅型傳感器不同，這裡入射光即含P波又含S波，設起偏方向同P波方向夾角為α，則入射波 通過旋轉起偏器2可以改變α的值，從而達到改變入射光Es和Ep的比例。設系統對P波和S波的反射係數分別 rs實際約為1，令 ρ＝rp/rs＝rpφρ＝φp-φs補償器的快軸放置在P方向，令補償相位為Δ，檢偏器5的檢偏方向同P波夾角為45°，最後光電接收器得到的光強為 (5)式的物理意義很清楚，在沒有相位補償時得到的光強相當於 和 兩個波幹涉。(5)式可以寫成下面形式 從(6)式可以得到I為零的條件
不論 為何值時，都可以通過調節起偏器使7.1式得到滿足，調節相位補償器使7.2式得到滿足。
為任何值包括了兩重意義首先不論金膜鍍得合適與否，都可以通過調節光學系統使用偏振法得到的SPR譜最低值為零。另一重意義是在原振幅SPR譜的任意處都可以調節光學系統使用偏振法得到的SPR譜最低值為零。
對圖2所示的系統，1/4波片的快抽方向同P波成45°角，檢偏器同P波成Δ角，得到的結果為 I為零的條件為 結論定性是一樣的。對任意的 ，通過調節起偏器2使9.1式得到滿足，調節檢偏器5使9.2式得到滿足。由於1/4波片比寬光束可調相位補償器便宜得多，所以圖2所示的系統更實用。得到(8)要用矩陣光學的知識，這裡從略。
現在考慮要得到好的解析度的第二個條件在測量折射率的範圍內，所有的SPR譜最低值都為零。首先我們指出，不可能對每一個折射率變化都調節一次光學系統，麻煩是小事，這裡說的不可能是理論上不允許。前面分析了 為任意值的兩重義。當n不變時，可以通過調節光學系統得到多個使SPR譜最低值為零的θSPR。這樣的調節將使測量變得毫無意義。因此，在一次儀器調節好後，不再調節光學系統，在待測折射率變化範圍內用偏振型SPR傳感器得到所有SPR譜最低點為零的條件是什麼？理論分析表明實現上述要求的充分且必要條件是；在所測折射率變化範圍內，對不同的n在複平面作 的軌跡，所有的軌跡都交於一點，且此點選作初始調節的SPR譜的零點。這樣一個充分必要條件看來非常苛刻，實際計算表明在測量範圍不太大(0.04)的情況下，上述條件基本滿足，且交點基本在rp的最小值處。這一發現為調試提供了理論根據。
偏振型SPR傳感器金膜厚度選擇原則為
d＜dc(10)dc為臨界金度膜厚度，也就是理論上振幅型SPR譜最低點為零時所對應的金膜厚度。在工藝保證(10)式的條件下，儘可能接近dc。
權利要求
1.一種使偏振表面等離子體傳感器反射譜最低點為零的調試方法，所述的傳感器的光路為雷射經起偏器後變成線偏振光，該線偏振光中含有P波和S波，線偏振光入射到傳感器的光反射面後，出射成為橢圓偏振光，經相位補償器和檢偏器後，成為線偏振光，該光信號經光電轉換器後轉換成電信號，其特徵在於所述的傳感器的調製方法包括以下步驟(1)將檢偏器放在檢偏45°的方向；(2)將起偏器放在起偏角α＝0的位置，此時S波的電場為零，傳感器相當于振幅型傳感器；(3)設初始待測介質的折射率為n1，記錄振幅型等離子體波譜的最小值Rmin以及與此最小值相對應的光入射角θSPR；(4)調節傳感器旋轉平臺，使光電接收器輸出的光電信號極小，此時光入射角為θSPR；(5)旋轉起偏器，儘量滿足tg=Rmin]]>(6)調節相位補償器，使光電接收器的輸出信號極小；(7)調節起偏器，使光電接收器輸出信號極小。
2.一種使偏振表面等離子體傳感器反射譜最低點為零的調試方法，所述的傳感器的光路為雷射經起偏器後變成線偏振光，該線偏振光中含有P波和S波，線偏振光入射到傳感器的光反射面後，出射成為橢圓偏振光，經1/4波片後，P波和S波分別為圓偏振光，經檢偏器後成為線偏振光，該光信號經光電轉換器後轉換成電信號，其特徵在於所述的傳感器的調製方法包括以下步驟(1)1/4波片放在45°的方向；(2)將起偏器放在起偏角α＝0的位置，此時S波的電場為零，傳感器相當于振幅型傳感器；(3)設初始待測介質的折射率為n1，記錄振幅型等離子體波譜的最小值Rmin以及與此最小值相對應的光入射角θSPR；(4)感器旋轉平臺，使光電接收器輸出的光電信號極小，此時光入射角為θSPR；(5)轉起偏器，儘量滿足tg=Rmin]]>(6)調節檢偏器，使光電接收器的輸出信號極小；(7)調節起偏器，使光電接收器輸出信號極小。
全文摘要
本發明涉及一種使偏振表面等離子體傳感器反射譜最低點為零的調試方法,首先將傳感器中的檢偏器放在檢偏45°的方向,將起偏器放在起偏角α=0的位置,此時S波的電場為零,設初始待測介質的折射率為n
文檔編號G01D5/26GK1342884SQ0113666
公開日2002年4月3日 申請日期2001年10月26日 優先權日2001年10月26日
發明者郭繼華, 孫家林, 韋巍 申請人:清華大學