[發(fā)明專利]基于P偏振光的棱鏡SPR傳感器檢測系統(tǒng)

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910028416.3
• 申請日: 2009-01-16
• 公開（公告）號: CN101477045A
• 公開（公告）日: 2009-07-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 曾捷;梁大開;趙志遠(yuǎn);張曉麗;萬艷
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G01N21/43
• 分類號: G01N21/43
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司
• 代理人: 魏學(xué)成

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種將偏振分光棱鏡分光特性與棱鏡SPR傳感器檢測術(shù)結(jié)合在一起的新型棱鏡SPR傳感器系統(tǒng)，它有效提高了該類傳感器的檢測精度，可應(yīng)用于折射率、溫度等各種參數(shù)的精確測量。?

背景技術(shù)

偏振分光棱鏡(PBS，Polarization?Beam?Splitter)最早由麥克納爾(S.MaoNeille)提出，并首先由貝寧(M.Banning)實(shí)際制備。它的設(shè)計(jì)原理是尋找這樣一個(gè)入射角，使之對于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(gòu)成多層膜堆，而對P偏振光不產(chǎn)生任何反射。對于實(shí)際的薄膜材料，這個(gè)條件只有當(dāng)光線從一高折射率介質(zhì)入射到多層膜上時(shí)才能實(shí)現(xiàn)。因此，通常將多層膜校核在玻璃棱鏡中間，并通過選擇材料種類使得兩種材料在滿足折射定律的同時(shí)對P偏振光的有效折射率相等。同時(shí)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(yīng)于更寬的波長帶寬，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由于其低廉的價(jià)格和良好的分光性能被廣泛應(yīng)用在各種光電儀器之中。最典型的應(yīng)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(yīng)是由光波與金屬電子相互作用而引起的一種光電子現(xiàn)象。表面等離子體波(SPW，SurfacePlasmon?Wave)是沿著金屬和電介質(zhì)之間界面?zhèn)鞑サ碾姶挪ㄐ纬傻摹．?dāng)光入射到基體與金屬交界面之上，并發(fā)生衰減全反射時(shí)，倏逝光波與SPW發(fā)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(fā)生SPR現(xiàn)象，入射光能量被大量吸收，致使反射光能量顯著減少。此時(shí)入射光的入射角叫做共振角，入射光波?長叫做共振波長。?

由于SPR對金屬表面電介質(zhì)的折射率非常敏感，因此一系列基于SPR效應(yīng)的傳感器應(yīng)運(yùn)而生，其中棱鏡SPR傳感器發(fā)展最為成熟，應(yīng)用最為廣泛。該傳感器主要采用基于Kretschmann結(jié)構(gòu)的棱鏡形式(見附圖2)，此形式1968年由德國學(xué)者Kretschmann在“Radiative?decay?of?non-radiative?surface?plasmons?excited?bylight”一文中首先提出。傳感器組成為：等腰直角棱鏡(10)的底面上涂鍍一層金屬膜(11)，金屬膜外有樣品池(12)來裝載待測液體樣本。?

棱鏡SPR傳感器檢測系統(tǒng)主要有角度調(diào)制、相位調(diào)制、強(qiáng)度調(diào)制和波長調(diào)制四種調(diào)制形式，四種方式都有著普遍的應(yīng)用。1988年由Zhang等人組建了第一套基于波長調(diào)制方式的棱鏡SPR傳感器系統(tǒng)，檢測了丙酮水溶液的折射率變化情況，該文章并發(fā)表在Electro.Lett期刊上。其檢測系統(tǒng)組成為：白光光源(13)發(fā)射出來的光經(jīng)由凸透鏡(14)匯聚后照射在棱鏡SPR傳感器(15)上，出射光再經(jīng)由凸透鏡(16)耦合入多模光纖(17)，并傳導(dǎo)到與多模光纖(17)相連的光譜儀(18)之內(nèi)，光譜儀(18)通過數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)(19)相連。?

上述檢測系統(tǒng)組成形式能夠?qū)崿F(xiàn)一定程度上的折射率檢測，但是由于所用的激發(fā)SPR效應(yīng)的光源中同時(shí)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，谷底過于平坦。而所要檢測的共振波長是對應(yīng)于谷底最低點(diǎn)，即共振強(qiáng)度最小點(diǎn)的。這樣，谷底過于平坦勢必影響最小共振強(qiáng)度點(diǎn)的確定，從而影響了共振波長的檢測，也嚴(yán)重影響了波長調(diào)制型棱鏡SPR傳感器的檢測精度。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的主要目的在于克服傳統(tǒng)基于波長調(diào)制的棱鏡SPR傳感器檢測系統(tǒng)共振波谷半波寬度過寬的缺點(diǎn)，提供一種方便快捷且檢測精度高的單P光分量棱鏡SPR傳感器檢測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。同時(shí)針對光源帶寬范圍和分光比要求，采用了自行設(shè)計(jì)的棱鏡材料和多層膜系，克服了常用偏振分光棱鏡帶寬不適合該棱鏡SPR傳感器檢測系統(tǒng)的不足。?

一種基于P偏振光的棱鏡SPR傳感器檢測系統(tǒng)，依次由光源、第一多模光纖、棱鏡SPR傳感器、凸透鏡、通過第二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(jì)算機(jī)組成，其特征在于：在上述光源與棱鏡SPR傳感器之間還設(shè)有分光帶寬為400nm-1000nm的偏振分光棱鏡。