[發明專利]一種折射率傳感器及其探測方法

有效

• 申請號: 201210152335.6
• 申請日: 2012-05-16
• 公開（公告）號: CN102654457A
• 公開（公告）日: 2012-09-05
• 發明（設計）人: 張家森;溫秋玲
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G01N21/45
• 分類號: G01N21/45
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理事務所(普通合伙) 11360
• 代理人: 張肖琪

1.一種折射率傳感器，其特征在于，所述折射率傳感器包括：激發裝置和漏輻射顯微鏡系統；激發裝置包括單色光源（1）、聚焦器件（2）和傳感器芯片；漏輻射顯微鏡系統包括油浸物鏡（41）、成像透鏡（42）和CCD相機（43）；單色光源（1）發射出來的激光經聚焦器件（2）聚焦，入射到傳感器芯片上激發起表面等離激元，產生的表面等離激元沿傳感器芯片的金屬薄膜的表面傳播并以漏輻射場的形式從傳感器芯片輻射出來，由油浸物鏡（41）收集表面等離激元的漏輻射光，經成像透鏡（42）入射到CCD相機（43）上，另有一束參考光同時入射到CCD相機（43）上與漏輻射場發生干涉，并被CCD相機（43）記錄干涉條紋的信息；傳感器芯片進一步包括：金屬薄膜（32），在金屬薄膜（32）上刻有光柵結構（33），待測樣品（34）放置在金屬薄膜（32）上，金屬薄膜（32）鍍在透明襯底（31）上。

2.如權利要求1所述的折射率傳感器，其特征在于，所述聚焦器件（2）是柱面鏡、透鏡、物鏡及二元光學元件中的一種。

3.如權利要求1所述的折射率傳感器，其特征在于，所述光柵結構（33）是利用微加工手段制備在金屬膜上（32）的周期性結構，結構尺寸根據獲得比較好的光與表面等離激元之間的耦合效率來確定，其周期與表面等離激元的波長相當。

4.如權利要求1所述的折射率傳感器，其特征在于，所述金屬薄膜（32）的材料可以是金、銀、銅和鋁等貴重金屬，并且是通過磁控濺射、電子束蒸發或熱蒸發等方法鍍在透明襯底上的。

5.如權利要求1所述的折射率傳感器，其特征在于，所述金屬薄膜（32）的厚度在100納米以內。

6.如權利要求1所述的折射率傳感器，其特征在于，所述油浸物鏡（41）的數值孔徑大于1.0。

7.如權利要求1所述的折射率傳感器，其特征在于，進一步包括在成像透鏡和CCD相機之間設置分光濾波系統，分光濾波系統包括：分光鏡，將從油浸物鏡出射的光分成兩路：信號光路和參考光路；在每一光路上分別設置濾波裝置，在空間頻譜面上分別進行空間濾波，信號光路濾波后僅留下往一側傳播的表面等離激元的漏輻射光即信號光；參考光路濾波后僅讓直接透光的激光作為參考光通過；濾波后的信號光和參考光通過另一個分光鏡后重新匯聚到一起。

8.如權利要求7所述的折射率傳感器，其特征在于，在所述參考光路中插入一個衰減器以提高干涉條紋的對比度。

9.一種權利要求1所述的折射率傳感器的探測方法，其特征在于，所述探測方法包括以下步驟：

1)在金屬薄膜的上表面擱置待測樣品；

2)金屬薄膜上方的單色光源發射出來的激光通過聚焦器件聚焦后入射到光柵結構上，激發起表面等離激元沿金屬薄膜表面傳播，入射激光的一部分直接穿透金屬薄膜，沿金屬薄膜表面傳播的表面等離激元可以隧穿到金屬薄膜-透明襯底界面，最終以一定的角度從透明襯底中輻射出來，并在透明襯底的后面用油浸物鏡來收集表面等離激元的漏輻射場；

3)油浸物鏡收集的光包含表面等離激元的漏輻射光和直接透射的激光兩種成分，直接透射的激光被用來作為參考光，參考光以角度θ(參考光的波矢與CCD相機的探測平面的法線的夾角，0≤θ≤90°)入射到CCD相機的探測平面上，表面等離激元的漏輻射光即信號光以角度α(信號光波矢與CCD相機的探測平面的法線的夾角，0＜α＜90°)，同時入射到CCD相機上發生干涉，并被CCD相機記錄干涉條紋的周期T；

4)CCD相機的探測平面上干涉條紋的周期如下表示：

T=λ0|sinα-sinθ|=λ0|λ0Mλsp-sinθ|---(1)]]>

其中，T為干涉條紋的周期，M為測量系統的放大倍數，λ₀為入射激光的波長，λ_sp為表面等離激元的波長，根據介質/金屬/介質三層波導色散方程：

e-2kma=kmϵd+kdϵmkmϵd-kdϵm·kmϵs+ksϵmkmϵs-ksϵd---(2)]]>

其中，k_m²＝k_sp²-k₀²ε_mr，k_s²＝k_sp²-k₀²ε_s，k_d²＝k_sp²-k₀²ε_d，a是金屬薄膜的厚度，下標m代表金屬薄膜，下標s代表透明襯底，下標d代表待測樣品，ε_d為待測樣品的介電常數，ε_m為金屬薄膜的介電常數，ε_mr為金屬薄膜的介電常數的實部，ε_s為透明襯底的介電常數，k₀＝2π/λ₀為激光在自由空間中的波數，k_sp＝2π/λ_sp為表面等離激元的波數，聯立公式(1)和(2)就可以根據干涉條紋的周期得到待測樣品的折射率。