基於p偏振光的稜鏡spr傳感器檢測系統的製作方法

2023-11-07 19:21:47

專利名稱：基於p偏振光的稜鏡spr傳感器檢測系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種將偏振分光稜鏡分光特性與稜鏡SPR傳感器檢測術結合在 一起的新型稜鏡SPR傳感器系統，它有效提高了該類傳感器的檢測精度，可應 用於折射率、溫度等各種參數的精確測量。
背景技術：
偏振分光稜鏡(PBS, Polarization Beam Splitter)最早由麥克納爾 (S.MaoNeille)提出，並首先由貝寧(M.Banning)實際製備。它的設計原理是 尋找這樣一個入射角，使之對於兩種不同折射率的界面滿足布儒斯特角，在這樣 的條件下，P偏振光的反射完全消失。這兩種材料能夠交替疊加構成多層膜堆， 而對P偏振光不產生任何反射。對於實際的薄膜材料，這個條件只有當光線從一 高折射率介質入射到多層膜上時才能實現。因此，通常將多層膜校核在玻璃稜鏡 中間，並通過選擇材料種類使得兩種材料在滿足折射定律的同時對P偏振光的有 效折射率相等。同時疊加出了有效厚度為四分之一波長的多層膜堆，以保持對S 偏振光的高反射性。為了PBS的分光效果能適應於更寬的波長帶寬，還能在兩種 材料之間增鍍一層折射率適中的材料層，或者增加兩種材料中任一種材料的厚 度。目前，PBS由於其低廉的價格和良好的分光性能被廣泛應用在各種光電儀器 之中。最典型的應用就是在液晶電視的影像投影中，通過PBS得到了高偏振度的 偏振光，改善了對比度性能。
SPR ( Surface Plasmon Resonance,表面等離子體波共振)效應是由光波與金 屬電子相互作用而引起的一種光電子現象。表面等離子體波(SPW, Surface PlasmonWave)是沿著金屬和電介質之間界面傳播的電磁波形成的。當光入射到 基體與金屬交界面之上，並發生衰減全反射時，倏逝光波與SPW發生耦合。若沿 界面的光波矢量分量與SPW的矢量分量相等，則發生SPR現象，入射光能量被大 量吸收，致使反射光能量顯著減少。此時入射光的入射角叫做共振角，入射光波長叫做共振波長。
由於SPR對金屬表面電介質的折射率非常敏感，因此一系列基於SPR效應的 傳感器應運而生，其中稜鏡SPR傳感器發展最為成熟，應用最為廣泛。該傳感 器主要採用基於Kretschmann結構的稜鏡形式(見附圖2)，此形式1968年由德國 學者Kretschmann在"Radiative decay of non-radiative surface plasmons excited by light" —文中首先提出。傳感器組成為等腰直角稜鏡(10)的底面上塗鍍一層 金屬膜(11),金屬膜外有樣品池(12)來裝載待測液體樣本。
稜鏡SPR傳感器檢測系統主要有角度調製、相位調製、強度調製和波長調製 四種調製形式，四種方式都有著普遍的應用。1988年由Zhang等人組建了第一套 基于波長調製方式的稜鏡SPR傳感器系統，檢測了丙酮水溶液的折射率變化情 況，該文章並發表在Electro丄ett期刊上。其檢測系統組成為白光光源(13)發 射出來的光經由凸透鏡(14)匯聚後照射在稜鏡SPR傳感器(15)上，出射光再 經由凸透鏡(16)耦合入多模光纖(17)，並傳導到與多模光纖(17)相連的光 譜儀(18)之內，光譜儀(18)通過數據線與計算機(19)相連。
上述檢測系統組成形式能夠實現一定程度上的折射率檢測，但是由於所用的 激發SPR效應的光源中同時存在有效部分P偏振光和無效部分S偏振光，所以使得 共振光譜曲線波谷半波寬度過寬，谷底過於平坦。而所要檢測的共振波長是對應 於谷底最低點，即共振強度最小點的。這樣，谷底過於平坦勢必影響最小共振強 度點的確定，從而影響了共振波長的檢測，也嚴重影響了波長調製型稜鏡SPR 傳感器的檢測精度。

發明內容
本發明的主要目的在於克服傳統基于波長調製的稜鏡SPR傳感器檢測系統 共振波谷半波寬度過寬的缺點，提供一種方便快捷且檢測精度高的單P光分量稜 鏡SPR傳感器檢測系統的實現方法。同時針對光源帶寬範圍和分光比要求，採用 了自行設計的稜鏡材料和多層膜系，克服了常用偏振分光稜鏡帶寬不適合該稜鏡 SPR傳感器檢測系統的不足。
一種基於P偏振光的稜鏡SPR傳感器檢測系統，依次由光源、多模光纖、 稜鏡SPR傳感器、凸透鏡、通過多模光纖接受上述凸透鏡傳來光線的光譜儀與 上述光譜儀相連的計算機組成，其特徵在於在上述光源與稜鏡SRP傳感器之間還設有分光帶寬為400nm-1000nm的偏振分光稜鏡。
上述分光帶寬為400nm-1000nm的偏振分光稜鏡的具體組成是兩塊直角等 腰稜鏡底面貼合，組成一個立方體，貼合面中間增鍍介質膜系，該膜系由一種折 射率較大的材料及一種折射率較小的材料交替鍍制而成。
膜系疊放順序依次為按照義/4膜堆的形式H/L交替疊放N層，H疊放l 層。上述H代表大折射率材料，L代表小折射率材料。
上述直角等腰稜鏡折射率為"s,大折射率為""，小折射率為"、大折射率 材料的厚度為&,小折射率材料的厚度為《。"s、 和 可根據布儒斯特角 條件和折射定律確定。"w和《通過設計帶寬的中心波長及展寬帶寬要求確定。 另外通過計算P偏振光和S偏振光透射率隨膜系層數變化的值，取使得P偏振 光透射率趨近於1, S偏振光透射率趨近於0時的N作為最終鍍膜總層數。
義/4膜堆為實現寬帶波長範圍內的反射率要求，可以將一種折射率大的材 料和一種折射率小的材料交替疊加，並使最外面兩層材料都是折射率大的材料。 每層膜的厚度為所要實現的帶寬的中心波長的1/4。
中心波長寬帶光源發出的光東含有很多不同波長的光線，這些波長組成一 個連續的波長範圍，此波長範圍內的中間值就是該寬帶光源的中心波長。如光源 為包含400nm ~ 1000nm波長範圍的寬帶光源，那麼它的中心波長就是 (400+1000) /2nm,0nm。
布儒斯特角條件如果存在這樣一個入射角度，使得入射到兩種薄膜介質交 界面上的光線中的P光分量的反射率為O,那麼這個角度就叫做布儒斯特角。當
該條件時，對於折射率分別為 和 的兩種薄膜，可以得到公式
formula see original document page 5 (1)
上式中^表示光線在折射率為""的薄膜中的折射角。
折射定律當光線從一種介質入射到另一種介質中時，折射光線位於入射光 線和界面法線所決定的平面內，折射光線和入射線分別在法線的兩側，入射角的
正弦與折射角的正弦之比等於對應介質折射率的反比。對於折射率分別為 、
和"i的三種介質，有關係 sin & = ww sin & = "￡ sin ( 2 )
&、 ^和^分別表示在折射率為"s、 和"L的三種介質中光線與入射界面法線的夾角。
當光線從一種介質(折射率為巧)入射到另一種介質(折射率為"2)時，P偏振光和S偏振光的透射率分別表示為
7>=1 —
巧cos《-w2 COS《〕 ! cos 62 + "2 COS《乂
、7
77] COS《-W2 COS《
(3)
(4)
Mj COS《+M2 COS《
上兩式中，《和A分別表示在折射率為A和A的兩種介質中光線與入射界面法線的夾角。
上述基於P偏振光的稜鏡SPR傳感器檢測系統，其主要特徵在於利用偏振分光稜鏡對入射到其中間膜系上的S偏振光的高反射性和對P偏振光的高透射性，將兩種光分量分開成90。角。確保入射到稜鏡SPR傳感器金屬膜和待測液體交界面上的光只有能激發SPR效應的P偏振光，幾乎不含不能激發SPR效應的S偏振光。從而大大濾除了檢測共振光譜中由於存在S偏振光而產生的無效信息，顯著縮減了共振波谷半波寬度，使得谷底趨於尖銳。
本發明中寬帶偏振分光稜鏡主要在光源與稜鏡SPR傳感器之間進行分光。由於只有平行於入射平面的光矢量，亦即P光分量才能激發SPR效應，所以在光入射到稜鏡SPR傳感器之前就用偏振分光稜鏡最大限度的反射了光線中與入射平面垂直的S光分量，從而使得傳感器光譜中共振波谷半波寬度不受無效的S光的影響，急劇縮減。突出了波谷底部的能量衰減最大點，利於其對應的共振波長的精確測量。
本發明的有益效果是釆用方便實用的偏振分光稜鏡分光技術，使得稜鏡SPR傳感器在實時、特異、高通量、高靈敏度、微樣品需求、無需額外標記等性能之外，又進一步獲得了高精確度的特點。同時採用高分光帶寬的膜系設計，實現了常用寬帶光源的全波段高分光比，保證了稜鏡SPR傳感器的整體性能穩定性，克服了傳統檢測系統共振波長檢測精度低的缺點。將此技術應用到基于波長調製的分布式稜鏡SPR傳感器檢測系統中，還能有效減小不同待測物質對應的共振波谷之間的粘連，提高分布式檢測效果和檢測範圍。


圖1是基於P偏振光的稜鏡SPR傳感器檢測系統組成示意圖。
圖2是稜鏡SPR傳感器組成示意圖。
圖3是傳統稜鏡SPR傳感器檢測系統組成示意圖。
圖4是偏振分光稜鏡組成及分光示意圖。
圖5是寬帶寬多層膜系組成示意圖。
圖6是偏振分光稜鏡分光效果仿真圖
圖中的標號名稱l.光源 2.多模光纖3.偏振分光稜鏡4.稜鏡SPR
傳感器 5.凸透鏡 6.多模光纖 7.光譜儀 8.USB數據線 9.計算機 IO.等腰直角稜鏡 ll.金屬膜 12.樣品池 13.白光光源 14..凸透鏡 15.稜鏡SPR傳感器 16.凸透鏡 17.多模光纖18.光譜儀
19.計算機 20.等腰直角稜鏡 21.等腰直角稜鏡 22.分光膜系 23高折射率材料 24.低折射率材料
具體實施例方式
由圖1可知，本發明的基於P偏振光的稜鏡SPR傳感器檢測系統的具體組成是，寬帶光源1 (可用HL-2000滷鎢寬帶光源)發出的光經多模光纖2入射到基於Kretschmann模型的稜鏡SPR傳感器4上，反射光經凸透鏡5耦合入多模光纖6並傳入光譜儀7 (可用USB2000型光譜儀)上，上述光譜儀7通過USB數據線與計算機9相連。其特徵在於在上述光源1與稜鏡SRP傳感器4之間還設有分光帶寬為400nm-1000nm的偏振分光稜鏡3。
計算機採用濾波算法對採集到的光譜進行分析，得到較為光滑的反射光歸一化強度與入射光波長之間的關係曲線。然後掃略此曲線，找到曲線上共振波谷最低點，亦即發生SPR效應後能量的最大衰減點。該點對應的橫坐標波長值就是能反映出待測物體折射率變化的共振波長。
圖2是稜鏡SPR傳感器組成示意圖。它包括等腰直角稜鏡IO (石英玻璃)、稜鏡底面上增鍍的金屬膜(金、銀等)ll和固連在稜鏡上的樣品池12.樣品池主要用來盛裝電介質樣品，保證樣品與金屬膜貼合。當用於生化檢測時，金屬膜表面通常會固定一種具特異識別屬性的分子即配體，監控溶液中的被分析物與該配體的結合過程。在複合物形成或解離過程中，金屬膜表面溶液的折射率發生變化，隨即被稜鏡SPR傳感器檢測出來。
圖3是傳統稜鏡SPR傳感器檢測系統示意圖。它的組成為白光光源13發射出來的光經由凸透鏡14匯聚後照射在稜鏡SPR傳感器15上，出射光再經由凸透鏡16耦合入多模光纖17,並傳導到與多模光纖17相連的光譜儀18之內，光譜儀18通過數據線與計算機19相連。該系統也是在計算機內採用濾波算法對釆集到的光譜進行分析，得到較為光滑的反射光歸一化強度與入射光波長之間的關係曲線。然後掃略此曲線，找到曲線上共振波谷最低點，在該點對應的橫坐標上讀出共振波長值。此系統能一定程度上通過檢測到的共振波長的變化來監測待測液體折射率變化，但是共振波谷半波寬度較寬，谷底較平坦，不利於共振波長的檢測。
圖4是偏振分光稜鏡組成示意圖。它包括兩個等腰直角稜鏡20和21 (ZF1重火石玻璃)以及一個多層膜系組成的粘結層22。當光從該分光稜鏡一端入射到中間膜系上時，若入射角滿足布儒斯特角，則P光分量能以高透射率透過該膜系。而S光分量卻有絕大部分被反射到分光稜鏡的上表面。
正是利用偏振分光稜鏡的這一特性，使得入射到稜鏡SPR傳感器上的光只有能激發SPR效應的P偏振光，沒有不能激發SPR效應的S偏振光。從而縮減了共振波谷半波寬度，突出了共振波長信息。
圖5是該粘結層由圖4是寬帶寬多層膜系組成示意圖。它主要由一種折射率大的材料(3(ZnS,折射率為2.281)、 一種折射率小的材料24 (MgF2,折射率為1.376)。其主要分布形式可以表示為(ZnS/MgF2)1G/ZnS,其中上角標10表示
的是鍍膜層數。若ZnS和MgF2的膜厚分別用^和《表示，則厚度分布可以表
示為&、《2*4、《3*《……《2。*&。其中q=0.97,對中
心波長為800證的光， < =《=200ww
偏振分光稜鏡中，很方便的選用入射角& = 45°,並選用兩種折射率相差較大的常用鍍膜材料ZnS和MgF2，結合公式(1)和公式(2)就可以確定"s,繼而選定所用的直角等腰稜鏡的材料為ZF1重火石玻璃。由於只用兩種材料按照義/4膜堆的形式疊加，選定400nm 1000nm範圍內的中心波長700nm來設計膜層厚度，很難保證在如此寬的範圍內一直都有P偏振光的高透射率和S偏振光的低透射率。所以採用膜層厚度按照幾何倍數遞增的方式來用兩種材料實現400nm~ 1000nm範圍內的分光。具體做法是先選定中心波長為800nm設計；i/4膜堆，從而實現600~ 1000nm範圍內的分光。然後將該膜系按照幾何遞增方式
擴展，擴展後各層厚度為^"、d , N是層數，d是所鍍層的厚度(髙折射率層
為"〃，低折射率層為《)。選定q=0.97, & =《=800/4"m = 200ww,則各層厚度為0.97^-、200 nm。然後從3不斷增加N的值，按照公式(3)和公式(4)計算P偏振光和S偏振光在400nm- 1000nm範圍內的透射率。直到某一個N使得7> 1,同時7^a0。注意雖然很大的N值能更好提高使分光效果，但是鍍
膜層數越高，成本越高，而且衰減和損耗也越大。本發明中選用N二21,能很好的滿足分光要求。
圖6是偏振分光稜鏡分光效果仿真圖。橫坐標為波長，縱坐標是百分比。從圖中可以看出，在400nrn ~ 1000nm範圍內P偏振光和S偏振光的透射率分別有
rP i， rs o。很好的達到了寬帶分光要求。
權利要求
1、一種基於P偏振光的稜鏡SPR傳感器檢測系統，依次由光源(1)、多模光纖(2)、稜鏡SPR傳感器(4)、凸透鏡(5)、通過多模光纖(6)接受上述凸透鏡(5)傳來光線的光譜儀(7)、與上述光譜儀相連的計算機(9)組成，其特徵在於在上述光源(1)與稜鏡SRP傳感器(4)之間還設有分光帶寬為400nm-1000nm的偏振分光稜鏡(3)。
2、 根據權利要求1所述的基於P偏振光的稜鏡SPR傳感器檢測系統，其特 徵在於所述分光帶寬為400nm-1000nm的偏振分光稜鏡(3)的具體組成是 兩塊直角等腰稜鏡UO、 21)底面貼合，組成一個立方體，貼合面中間增鍍分光 膜系(22X該膜系由一種折射率較大的材料(23)及一種折射率較小的材料(24) 交替鍍制而成；上述直角等腰稜鏡折射率為"s,大折射率為 ，小折射率為"、大折射率材料的厚度為&,小折射率材料的厚度為《；以H代表大折射率材料，L代表小折射率材料，膜系疊放順序依次為按照 /1/4膜堆的形式H/L交替疊放N層，H疊放l層；"s、 和 根據布儒斯特角條件和P偏振光反射強度為零的條件確定；^和《通過設計波長帶寬的中心波長及展寬帶寬要求確定； 通過觀察P偏振光和S偏振光的透射率隨膜層數變化的情況，尋找使得P 偏振光透射率幾乎為l， S偏振光透射率幾乎為O的膜層數，將此數值確定為N。
3、 根據權利要求1所述的基於P偏振光的稜鏡SPR傳感器檢測系統，其特 徵在於上述大折射率和小折射率鍍膜材料分別為ZnS和MgF2，折射率分別為 2.281和1.376;上述直角等腰稜鏡材料折射率為1.65,選用ZF1重火石玻璃； 上述N為21,各層厚度可依次為200nm、 194nm、 188.18nm、 182.53nm、 177.06nm、 171.75nm、 166.59nm、 161.60nm、 156.75nrn、 152.05亂147.48nm、 143.06nm、 138.77nm、 134.61nm、 130.57nm、 126.65nm、 122.85nm、 119.17nm、 115.59nm、 112.12nm、跳76nm 。
全文摘要
一種基於P偏振光的稜鏡SPR傳感器檢測系統，屬於稜鏡SPR傳感器系統技術領域。依次由光源(1)、多模光纖(2)、稜鏡SPR傳感器(4)、凸透鏡(5)、通過多模光纖(6)接受上述凸透鏡(5)傳來光線的光譜儀(7)與上述光譜儀相連的計算機(9)組成，其特徵在於在上述光源(1)與稜鏡SRP傳感器(4)之間還設有分光帶寬為400nm-1000nm的偏振分光稜鏡(3)。該方法使光譜中共振波谷半波寬度減小，更利于波長調製方法中共振波長參數的分析和檢測，也有利於改善稜鏡分布式測量系統檢測共振光譜中各個共振波谷的粘連現象。本發明有光路簡單、共振波谷窄、檢測精度高等特點。
文檔編號G01N21/43GK101477045SQ20091002841
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月16日 優先權日2009年1月16日
發明者豔 萬, 張曉麗, 捷 曾, 梁大開, 趙志遠 申請人:南京航空航天大學