CN102033052A - 一种相位型表面等离子共振传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种相位型表面等离子共振传感器。传统的相位型表面等离子共振传感器采用压电陶瓷位移平台来调节相位，其价格昂贵，且相位调制的重复性不好，导致传感精度受限。本发明包括激光器、起偏器、第一分束器、第二分束器、第一检偏器、第二检偏器、第一探测器、第二探测器、表面等离子共振棱镜、样品池和金属调制器。金属调制器中的第一金属反射片与第二金属反射片正交设置在固定架上，固定架与旋转平台连接，高反镜所在的平面与入射到金属调制器的光束垂直。进入金属调制器的光束经第一金属反射片、第二金属反射片反射后到达高反镜。高反镜反射光经第二金属反射片、第一金属反射片后原路返同。本发明可以高精度，准确地检测样品折射率。
Description
技术领域
本发明属于光电传感技术领域，涉及一种相位型表面等离子共振传感器。
背景技术
光子学是一门既古老又年轻的学科，自激光发明以来，基于光学检测的方法被逐渐的提出。表面等离子共振传感器(surface plasmon resonancesensor，以下简称SPR传感器)就是一种用激光激发金属表面等离子体的共振来实现对样品进行超高精度检测的新型传感器。
传统的相位型SPR传感器采用马赫-曾德(Mach-Zehnder)干涉仪，利用压电陶瓷片改变其一个干涉臂的光程来实现对入射激发光的相位调制。这种方法对实验平台稳定性，实验环境空气扰动和实验光路准直等的要求非常高。为使实验重复性好，必须使用高性能的压电陶瓷片，其价格往往非常昂贵。而且压电陶瓷片重复定位精度往往在100nm以上，所以其相位调制重复性不好。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中相位型SPR传感器传感稳定度差且对实验环境要求苛刻的缺点，提出了一种相位型表面等离子共振传感器。
本发明解决技术问题所采取的技术方案为：
一种相位型表面等离子共振传感器包括激光器、起偏器、第一分束器、第二分束器、第一检偏器、第二检偏器、第一探测器、第二探测器、表面等离子共振棱镜、样品池和金属调制器。
激光器发出的光经起偏器后在第一分束器发生分束，第一次分束中的透射光入射到金属调制器，然后由金属调制器回射至第一分束器，并在第一分束器发生反射，该反射光经第二分束器后发生分束，第二次分束中的透射光经第一检偏器后到达第一探测器；第二次分束中的反射光经过表面等离子共振棱镜、第二检偏器后到达第二探测器。
所述的金属调制器包括高反镜、第一金属反射片、第二金属反射片、固定架、旋转平台。第一金属反射片与第二金属反射片正交设置在固定架上，固定架与旋转平台连接，旋转平台能够带动固定架产生旋转运动，高反镜所在的平面与入射到金属调制器的光束垂直。进入金属调制器的光束经第一金属反射片、第二金属反射片反射后到达高反镜。高反镜反射光经第二金属反射片、第一金属反射片后原路返回。所述的样品池与表面等离子共振棱镜的镀金斜面压合在一起。
本发明中金属调制器的原理如下：
根据麦克斯韦电磁场理论和薄膜理论，激光以入射角θ照射到金属反射片并被反射，其p光(平行于入射面的光场分量)和s光(垂直于入射面的光场分量)的相位会发生不同大小的改变，我们称p光和s光的相位改变值之差为入射角度θ下的金属相位调制角。金属相位调制角大小与金属复介电常数，金属膜厚度，玻璃基板折射率和入射角θ有关。当其他参数固定时，通过改变激光在金属表面的入射角θ可以控制金属相位调制角的大小。
本发明的有益效果：本发明中的金属调制器利用金属反射光改变光的相位来实现对入射激发光的调制，该调制方法有精确度高，稳定性好，可重复性强等优点，因此本发明可以高精度，准确地检测样品折射率。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为金属调制器调制效果图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种相位型表面等离子共振传感器包括激光器1、起偏器2、第一分束器3-1、第二分束器3-2、第一检偏器4-1、第二检偏器4-2、第一探测器5-1、第二探测器5-2、表面等离子共振棱镜6、样品池7和金属调制器。
激光器1发出的光经起偏器2后在第一分束器3-1发生分束，其中的透射光入射到金属调制器，然后由金属调制器回射至第一分束器3-1，并在第一分束器3-1发生反射，该反射光经第二分束器3-2后发生分束，其中的透射光经第一检偏器4-1后到达第一探测器5-1；反射光经过表面等离子共振棱镜6、第二检偏器4-2后到达第二探测器5-2。
金属调制器包括高反镜8、第一金属反射片9-1、第二金属反射片9-2、固定架10、旋转平台。第一金属反射片9-1与第二金属反射片9-2正交设置在固定架10上，固定架10与旋转平台连接，旋转平台能够带动固定架10产生旋转运动，高反镜8所在的平面与入射到金属调制器的光束垂直。进入金属调制器的光束经第一金属反射片9-1、第二金属反射片9-2反射后到达高反镜10。高反镜10反射光经第二金属反射片9-2、第一金属反射片9-1后原路返回。样品池7与表面等离子共振棱镜6的镀金斜面压合在一起。
根据几何光学反射定律，旋转平台可以改变第一金属反射片上的入射角，而***出射光角度不变，总是按照原路返回。这样，激光在第一金属反射片和第二金属反射片上分别反射了两次，从而实现了激光相位的调制。
本实施例中的金属反射片，采用真空溅射蒸镀机在干净的生物载玻片上镀一层金膜。为了使反射片上的光强损失降低，要求金膜厚度在100nm以上。生物载玻片尺寸为25.6×76×1.2mm。蒸镀前要在超净室百级区(每立方英尺空气中直径大于等于0.5微米的尘粒属小于100个)用脱脂棉蘸取酒精***1∶3混合溶液擦洗生物载玻片的蒸镀面三遍，并把蒸镀面朝下放置在干净的玻璃皿里面。
本实施例中旋转平台由步进电机驱动，平台直径100mm，重复性误差小于0.005°，最小旋转角度0.00125°，转动速度25度/秒，自重1.5kg，工作电流1.7A。高反镜为镀银高反镜，其直径为40mm，在波长632.8nm处的反射率95％以上。激光器采用氦氖激光器。
如图2所示，入射角统一指入射光在第一金属反射片的入射角，相位调制角指p光和s光的相位改变之差(图中的1号金属片和2号金属片分别对应第一金属反射片和第二金属反射片)。
本发明的一个创新之处在于采用金膜反射的方式来调制激光相位。所镀金膜采用溅射蒸镀法，其均匀性非常好，并可以通过控制溅射时间和电流来调节金膜厚度。金的化学性质稳定，在空气中不易氧化，以金膜作为反射材料的金属调制器的使用寿命长。本发明另一个新颖之处在于使用两片正交的金属反射片，在改变入射角的情况下，保证出射光的平行出射，这样无需同步调整出射光路，非常方便使用。
Claims (1)
1.一种相位型表面等离子共振传感器，包括激光器、起偏器、第一分束器、第二分束器、第一检偏器、第二检偏器、第一探测器、第二探测器、表面等离子共振棱镜、样品池和金属调制器；
激光器发出的光经起偏器后在第一分束器发生分束，第一次分束中的透射光入射到金属调制器，然后由金属调制器回射至第一分束器，并在第一分束器发生反射，该反射光经第二分束器后发生分束，第二次分束中的透射光经第一检偏器后到达第一探测器；第二次分束中的反射光经过表面等离子共振棱镜、第二检偏器后到达第二探测器；所述的样品池与表面等离子共振棱镜的镀金斜面压合在一起，其特征在于：
金属调制器包括高反镜、第一金属反射片、第二金属反射片、固定架、旋转平台；第一金属反射片与第二金属反射片正交设置在固定架上，固定架与旋转平台连接，旋转平台能够带动固定架产生旋转运动，高反镜所在的平面与入射到金属调制器的光束垂直；进入金属调制器的光束经第一金属反射片、第二金属反射片反射后到达高反镜，高反镜反射光经第二金属反射片、第一金属反射片后原路返回。
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