[發(fā)明專利]一種用于SPR傳感的棱鏡相位調(diào)制器及其調(diào)制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210072017.9
• 申請日: 2012-03-19
• 公開（公告）號: CN102621686A
• 公開（公告）日: 2012-08-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 何賽靈;葉高翱;程昊;錢駿;蔣天鋒;劉欣慰
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號: G02B26/06
• 分類號: G02B26/06;G01N21/41;G01N21/55
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 杜軍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于傳統(tǒng)光學(xué)、光子學(xué)和工程檢測學(xué)交叉技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于SPR傳感的棱鏡相位調(diào)制器及其調(diào)制方法。

背景技術(shù)

表面等離子共振傳感器（Surface?Plasmon?Resonance?Sensor，以下簡稱SPR傳感器）是一種高精度的折射率傳感器。其利用激光以一定入射角入射到金屬薄膜來激發(fā)其表面自由電子的共振，既SPR，來實現(xiàn)對金屬薄膜表面的樣品折射率的高精度傳感。發(fā)生SPR時，反射光中的平行于入射面的光場分量（以下簡稱p光）的光強迅速衰減并伴隨著相位的劇烈跳變，而垂直于入射面的光場分量（以下簡稱s光）的光強基本不變，其相位也沒有劇烈跳變。相位型SPR傳感器通過提取反射光中p光和s光的相位差（以下簡稱p-s光相差）來檢測樣品折射率，這種類型的SPR傳感器的傳感精度最高，是角度型或波長型SPR傳感器的10到100倍，可以達到10^-9?RIU。另外，相位型SPR傳感器更適合進行高通量的面陣傳感，利用CCD成像技術(shù)來同時進行多個通道樣品的同時檢測。而角度型和波長型SPR傳感器由于各個像素之間的干擾和檢測設(shè)備復(fù)雜等原因，都不適合進行面陣傳感。相位型SPR傳感器的高靈敏度和高通量的優(yōu)點，使其檢測能力和實際應(yīng)用價值高于角度型和波長型的SPR傳感器，可以用在高通量、低濃度的蛋白互作、DNA分子結(jié)合和分子免疫反應(yīng)等檢測領(lǐng)域，因此，相位型SPR面陣傳感器有著非常大的應(yīng)用價值和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

高精度的相位型SPR面陣傳感器一般不直接測量反射光的p-s光相差來檢測樣品折射率，而是在入射光路中加入相位調(diào)制器來增加采樣點數(shù)，減少環(huán)境噪聲對檢測精度的影響。

根據(jù)光路設(shè)置不同，相位型SPR面陣傳感器可以分為共光路型（參考光路和實驗光路為同一條光路）和非共光路型（參考光路和實驗光路不為同一條光路）。共光路型的相位調(diào)制器調(diào)制的是p-s光相差，目前一般采用液晶相位調(diào)制器（LCM）。而非共光路型的相位調(diào)制器調(diào)制的是實驗光路和參考光路的光程差，目前一般采用壓電陶瓷位移平臺（PZT）。基于LCM的調(diào)制器利用液晶分子的雙折射效應(yīng)來調(diào)制p-s光相差的調(diào)制器，由于液晶分子雙折射效應(yīng)受溫度波動影響大，所以對實驗環(huán)境的溫度穩(wěn)定性要求較高。而基于PZT的調(diào)制方式要用Mech-Zehnder干涉結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)對實驗平臺的穩(wěn)定性要求非常高，稍微的振動就會影響檢測結(jié)果。且LCM和PZT的價格往往昂貴，一般分別在10萬元和5萬元以上。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中相位型SPR面陣傳感器中的相位調(diào)制器對實驗環(huán)境要求高、實驗穩(wěn)定度低、價格昂貴等缺點，發(fā)明了一種全新的共光路型棱鏡相位調(diào)制器及其調(diào)制方法，這種調(diào)制器能夠在溫度變化較大，平臺存在震動的環(huán)境中穩(wěn)定地調(diào)制激光p-s光相差，而且成本低，有較大的實際應(yīng)用潛力。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明中的相位調(diào)制器包括斜方棱鏡、步進電機旋轉(zhuǎn)臺、高反鏡和光分束器。斜方棱鏡設(shè)置在步進電機旋轉(zhuǎn)臺上，步進電機旋轉(zhuǎn)臺帶動斜方棱鏡旋轉(zhuǎn)；外部空間光源發(fā)出的激光經(jīng)光分束器后從斜方棱鏡的一個端面進入斜方棱鏡，在斜方棱鏡中發(fā)生多次全反射后由斜方棱鏡的另一個端面出射至高反鏡；激光經(jīng)高反鏡反射后在斜方棱鏡中沿原光路返回，到達光分束器后產(chǎn)生反射光，該反射光即為相位調(diào)制光。

進一步的說，斜方棱鏡材料為BK7，斜方棱鏡長寬比為4:1；激光首次入射斜方棱鏡時的入射角為-10°到5°時，對應(yīng)的相位調(diào)制角范圍為-368°到0°；

利用該棱鏡相位調(diào)制器進行相位調(diào)制的方法，具體是：

調(diào)整固定在步進電機旋轉(zhuǎn)臺上的斜方棱鏡的位置，使激光入射點位于旋轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)軸附近，高反鏡放置在斜方棱鏡出射光路上，調(diào)整高反鏡使其與出射光路垂直；當(dāng)激光以一定角度從斜方棱鏡的一個端面入射時，會在棱鏡內(nèi)部發(fā)生偶數(shù)次全反射，然后從斜方棱鏡的另一個端面出射，發(fā)生全反射后，激光的p-s光相差會發(fā)生改變；根據(jù)光學(xué)折反射定律，從斜方棱鏡出射的光和入射光平行，經(jīng)過高反鏡反射后始終按照原路返回，并最終從光分束器反射出去，成為已調(diào)制的出射光。相位調(diào)制角度和全反射角度有關(guān)，通過計算機控制步進電機旋轉(zhuǎn)臺帶動斜方棱鏡的連續(xù)轉(zhuǎn)動來調(diào)節(jié)激光在斜方棱鏡內(nèi)發(fā)生全反射的入射角，可以實現(xiàn)對入射光p-s光相差的連續(xù)調(diào)制。

本發(fā)明具有的有益效果是：

本發(fā)明的棱鏡相位調(diào)制器克服了傳統(tǒng)相位調(diào)制器LCM和PZT溫度穩(wěn)定性低和抗震性差的缺點，在環(huán)境溫度變化和平臺震動的情況下，穩(wěn)定地調(diào)制入射激光的p-s光相位差。同時，用棱鏡相位調(diào)制器替代LCM或者PZT可以大大降低SPR傳感器的成本。