[發(fā)明專利]基于表面波倏逝場(chǎng)的痕量液體或氣體折射率測(cè)量裝置

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610155589.1
• 申請(qǐng)日: 2016-03-18
• 公開（公告）號(hào): CN105628651A
• 公開（公告）日: 2016-06-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉建華;張克;陶李
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 復(fù)旦大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/41
• 分類號(hào): G01N21/41
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于導(dǎo)波光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種痕量液體或氣體折射率測(cè)量裝置。

背景技術(shù)

材料的折射率的精密測(cè)量，以及基于折射率變化的傳感技術(shù)，在許多方面，尤其是 生物技術(shù)中有很大的應(yīng)用。近年來，基于Bloch表面波（BlochSurfaceWave，BSW）的測(cè)量 及傳感技術(shù)的研究日益受到重視。BSW是存在于周期性多層介質(zhì)膜堆中的電磁波，基于光 波導(dǎo)效應(yīng)，光場(chǎng)被限制在周期性的膜層中產(chǎn)生局域化增強(qiáng)，并對(duì)其表面的倏逝波場(chǎng)也產(chǎn)生 相應(yīng)增強(qiáng)作用。這種倏逝場(chǎng)會(huì)隨著光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化而發(fā)生很大的變化。因此可以 根據(jù)這種倏逝場(chǎng)的變化來測(cè)量或傳感光波導(dǎo)的參數(shù)變化情況。

目前，基于BSW的應(yīng)用，主要是基于固定的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，通過測(cè)量耦合波的反射率隨 入射角的變化或入射光的波長(zhǎng)變化來獲得相應(yīng)的位于平面波導(dǎo)外的與周期性多層模接觸 的材料的參數(shù)。由于每次測(cè)量都需要進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)的光路對(duì)準(zhǔn)（入射角調(diào)節(jié)），因而整個(gè)測(cè) 量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，并用存在大量的系統(tǒng)誤差和不穩(wěn)定因素。因此，研究一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定， 測(cè)量靈敏的方法就成為迫切的需要。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種測(cè)量穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確性高、速度快的痕量液體或氣體 折射率測(cè)量裝置。

本發(fā)明提供的痕量液體或氣體折射率測(cè)量裝置，是基于表面波倏逝場(chǎng)技術(shù)的。其 中，關(guān)鍵在于構(gòu)造一個(gè)復(fù)合平面光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，通過外加耦合透鏡，將測(cè)量光束導(dǎo)入平面光波 導(dǎo)，形成穩(wěn)定的Bloch表面波導(dǎo)模場(chǎng)。再通過錐形光纖探頭，將表面波場(chǎng)耦合出平面波導(dǎo)， 通過傳導(dǎo)光纖將光導(dǎo)入測(cè)量系統(tǒng)。當(dāng)波導(dǎo)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，將導(dǎo)致表面波的倏逝場(chǎng)的變化。

有別于常規(guī)的基于Bloch表面波的測(cè)量和傳感系統(tǒng)，本發(fā)明的特點(diǎn)在于通過波導(dǎo) 內(nèi)部間隙容納待測(cè)量物質(zhì)，將待測(cè)量液體或氣體作為復(fù)合光波導(dǎo)的一部分。而測(cè)量對(duì)象是 測(cè)量波導(dǎo)表面波的倏逝場(chǎng)，而非常規(guī)的測(cè)量入射光的反射率隨入射角的變化，或反射率峰 值隨入射光波長(zhǎng)的變化。因此，所構(gòu)造的平面光波導(dǎo)系統(tǒng)在測(cè)量校準(zhǔn)前進(jìn)行一次調(diào)準(zhǔn)光路， 后續(xù)測(cè)量無需任何部件運(yùn)動(dòng)。

本發(fā)明設(shè)計(jì)的基于表面波倏逝場(chǎng)強(qiáng)度變化的痕量液體或氣體折射率測(cè)量裝置，其 結(jié)構(gòu)如圖1所示，它包括：一個(gè)復(fù)合平面光波導(dǎo)，棱鏡耦合機(jī)構(gòu)，表面波倏逝場(chǎng)測(cè)量機(jī)構(gòu)；其 中，所述復(fù)合平面光波導(dǎo)由波導(dǎo)襯底層3、導(dǎo)流層5、玻璃基底7、周期性介質(zhì)膜層8、波導(dǎo)覆蓋 層9從下往上依次復(fù)合構(gòu)成；所述棱鏡耦合機(jī)構(gòu)由測(cè)量光束1及半柱形耦合透鏡2構(gòu)成，該 半柱形耦合透鏡2與波導(dǎo)襯底層3配合連接；所述表面波倏逝場(chǎng)測(cè)量機(jī)構(gòu)由錐形光纖探頭 10、傳導(dǎo)光纖11及光電測(cè)量系統(tǒng)12依次連接構(gòu)成；導(dǎo)流層5有接入口4和接出口6，待測(cè)液體 或氣體經(jīng)由接入口4進(jìn)入波導(dǎo)結(jié)構(gòu)內(nèi)，由接出口6導(dǎo)出。

本發(fā)明中，所述測(cè)量光束1為連續(xù)或脈沖激光光束。

本發(fā)明中，所述的半柱形耦合透鏡2可采用高折射率玻璃材料（折射率大于 1.52），用于將測(cè)量光束以倏逝場(chǎng)的形式耦合入復(fù)合平面光波導(dǎo)中。

本發(fā)明中，所述波導(dǎo)襯底層3可采用透明低折射率的材料，如石英（SiO₂）。

本發(fā)明中，所述導(dǎo)流層5為一間距很窄上下平行的空隙，用于容納待測(cè)液體或氣 體。

本發(fā)明中，所述導(dǎo)流層接入口4及導(dǎo)流層接出口6為待測(cè)量液體或氣體的導(dǎo)入導(dǎo)出 口，可以采用密閉式，也可采用開放式。密閉式用于進(jìn)行主動(dòng)的導(dǎo)入，而開放式則可用于傳 感測(cè)量。

本發(fā)明中，所述玻璃基底7為一薄玻璃片。

本發(fā)明中，所述周期性介質(zhì)膜層8包括高/低折射率材料交替的周期薄膜層及其 附加層，材料為介質(zhì)，如氧化鉭/石英交替的周期結(jié)構(gòu)薄膜層，或聚合物材料交替的周期結(jié) 構(gòu)薄膜層。

本發(fā)明中，所述波導(dǎo)覆蓋層9的材料可以采用玻璃或聚合物材料，其折射率低于周 期性介質(zhì)膜層8的折射率。

本發(fā)明中，所述錐形光纖探頭10可采用多模或單模光纖制備，折射率高于波導(dǎo)覆 蓋層9的折射率。

本發(fā)明中，所述傳導(dǎo)光纖11為一多模或單模光纖，用于傳輸從光纖探頭10耦合出 的光。

本發(fā)明中，所述光電測(cè)量系統(tǒng)12為一套光電轉(zhuǎn)換及測(cè)量顯示系統(tǒng)，包括光電倍增 管、數(shù)模轉(zhuǎn)換，、數(shù)據(jù)采集，及電腦等，用于測(cè)量和分析由傳導(dǎo)光纖11傳輸而來的光強(qiáng)。

本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)：