CN109470661B - 基于m-z干涉结构的古斯汉森位移型spr传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于M‑Z干涉结构的古斯汉森位移型SPR传感器。本发明包括激光器、偏振分光棱镜、SPR传感模块、分束镜、平面反射镜、楔形基板、偏振片、光强探测器。激光经偏振分光棱镜与平面镜组后分解为方向一致的TE与TM光，经SPR传感模块后，TM光将较TE光有一微小的古斯汉森位移。当携带传感样品折射率信息的古斯汉森位移量改变时，TM光经M‑Z干涉结构后的干涉光强将发生变化。本发明通过将微小的古斯汉森位移量精确转化为光程差，利用光强探测器探测干涉光强来反应光程差，从而可以提高对微小古斯汉森位移的检测精度与探测极限，且以TE光作为参考，可提高***的稳定性以及信噪比。
Description
技术领域
本发明属于光学传感领域，涉及一种基于M-Z干涉结构的古斯汉森位移型SPR传感器。
背景技术
表面等离子体共振(surface plasmon resonance，以下简称SPR)是一种金属物理光学现象。全反射条件下，入射光在全反射界面产生倏逝波，同时将产生古斯汉森位移。所谓SPR现象，指的就是当倏逝波与传感芯片的表面等离子体波满足波矢匹配时产生的共振吸收现象。当SPR现象发生时，入射光的能量大部分耦合为表面等离子波，同时伴随着古斯汉森位移的放大。可将入射光分解为振动方向互相垂直的TM分量与TE分量，一般来说，TE分量无法激发SPR现象，TM分量可以激发SPR现象，从而将古斯汉森位移放大，同时该放大的古斯汉森位移受传感芯片表面的折射率变化影响极大，从而可以通过检测TM分量古斯汉森位移的变化量，来实现对传感芯片表面样品的折射率的实时检测。
M-Z干涉仪是一种利用分振幅的方法产生双光束，从而实现干涉的结构。一般的马赫-曾德干涉仪由激光光源、两面分束镜、两面反射镜和光强探测器组成，激光经过第一个分束镜被分为两束，两束光分别经过反射镜反射后，在第二个分束镜处合为一束，并发生干涉，由光强探测器探测干涉光强。两束光的路径被严格分隔，因此干涉光强取决与两束光传播的光程差，而路径中的介质变化信息，如温度变化带来的气体密度的改变，气流的影响等，都将影响两个传播路径中光行进的光程差，从而最终带来干涉光强的改变。因此马赫-曾德干涉仪可以用于实现对光传播路径中介质变化信息的传感。
古斯汉森位移量很小，且检测液折射率发生变化而引起的古斯汉森位移变化量也很小。为探测古斯汉森位移以及折射率发生变化后的古斯汉森位移变化量，便需要高精度的位置探测器。折射率变化越小，古斯汉森位移变化量越小，对位置探测器的精度要求越高。这便限制了古斯汉森位移型SPR传感器的应用。据此，本发明基于古斯汉森位移型SPR传感器，提出一种基于M-Z干涉结构的古斯汉森位移型SPR传感器将古斯汉森位移变化量转化为干涉光强变化，提高古斯汉森位移的检测精度，从而提高古斯汉森位移型SPR传感器的探测极限。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于M-Z干涉结构的古斯汉森位移型SPR传感器，解决现有技术中对位移探测器精度的要求，增强古斯汉森位移型SPR***的探测极限。
本发明包括激光器、偏振分光棱镜、SPR传感模块、分束镜、平面反射镜、楔形基板、偏振片、光强探测器，激光光源发出的光由偏振分光棱镜和反射镜的组合下分为独立的两束TM光和TE光，通过SPR传感模块后，将古斯汉森位移通过M-Z干涉结构转化为光程差量，并发生干涉，干涉光通过偏振片后由光强探测器检测得干涉光强。
更进一步具体实施中，M-Z干涉结构由两个分束镜、两个平面反射镜和一个楔形基板组成，光束经第一个分束镜后分振幅为两束光，其中一束光经过楔形基板后，经过一个平面反射镜反射，与另一束光经另一个平面反射镜反射后在第二个分束镜处合为一束，并发生干涉。
更进一步具体实施中，M-Z干涉结构中分束镜与平面反射镜互相平行且都与光束夹角为45°。
更进一步具体实施中，两面反射镜相互垂直且与和两个偏振分光棱镜的连线夹角为45°。
更进一步具体实施中，在M-Z干涉结构的两路光路中，其中一路光路中放置楔形基板将古斯汉森位移转换为光程差，楔形基板亦可用折射棱镜、非平行平面反射镜组等替代，另一光路中不放置楔形基板或放置不同楔角的楔形基板或者平行平板。
更进一步具体实施中，通过调整偏振片角度使得透过偏振片后的光只为TM光或者TE光，来实现分别对TM光和TE光干涉光强的测量。
本发明的有益效果：本发明通过将微小的古斯汉森位移量精确转化为双光束干涉中的光程量，利用光强探测器探测干涉光强来反映光程变化，从而可以提高对微小古斯汉森位移的检测精度，相对于传统的古斯汉森位移型SPR***提高了***的探测极限，且通过分别读取TM光和TE光的干涉光强，将TE光的干涉光强变化量作为参考，从而可以消除许多共模误差，提高***的稳定性以及信噪比。
附图说明
图1为本发明基于M-Z干涉结构的古斯汉森位移型SPR传感器的***图。
图2为基于M-Z干涉结构的古斯汉森位移型SPR传感器增加探测极限的原理示意图。
附图标记说明：
1-激光器、2-偏振分光棱镜、3-偏振分光棱镜、4-平面反射镜、5-平面反射镜、6-SPR传感模块、7-分束镜、8-楔形基板、9-平面反射镜、10-平面反射镜、11-分束镜、12-偏振片、13-光强探测器、14-计算机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详述：
本发明包括激光器1、偏振分光棱镜2，3、SPR传感模块6、分束镜7，11、平面反射镜4，5，9，10、楔形基板8、偏振片12、光强探测器13，激光器1发出的光由偏振分光棱镜2，3和平面反射镜4，5的组合下分为独立的两束TM光和TE光，通过传感检测部分SPR传感模块6后，TM光产生古斯汉森位移，通过分束镜7，11、平面反射镜9，10和楔形基板8的组合将古斯汉森位移转化为光程差量，并让TM光和TE光分别发生干涉。通过控制偏振片13的偏振角度来分别读取TM光和TE光的干涉光强，并以TE光的干涉光强的变化为参考作差来表征TM光产生的古斯汉森位移量。
下面结合附图2，结合实例说明基于M-Z干涉结构的古斯汉森位移型SPR传感器增加检测极限的原理。
现在选取TE光以及SPR传感模块样品折射率改变前后的TM光和TM'光进行分析，当SPR传感棱镜处的样品折射率改变时，经过SPR传感棱镜的TM光产生的古斯汉森位移发生变化，从而光线会发生微小的平移，如图2所示TM'光较TM光有一较小偏移。TM'光经过分束镜A后，被分为上下两路光路，下光路TM'光走过的路径不发生改变，而在有楔形平板的上光路中，TM'光通过楔形基板的长度产生了改变，导致上下两路TM'光的光程差发生了改变，从而在分束镜B处，TM'光的干涉光强较TM光的干涉光强将发生改变。由于TE光不发生SPR现象，因此当SPR传感模块的样品折射率改变时，TE光基本不产生偏移，因此可以将TE光作为参考以消除由于光学***的轻微扰动等引起的共模误差。
下面将理论推导基于图示结构的SPR传感***的探测极限较之传统古斯汉森SPR传感***有提升之原因。
假定：TE光、TM光、TM′光经过M-Z干涉结构两路传播路径后的光程差分别为li(i＝1，2，3)；经过分束镜A前的TE光、TM光、TM′光的光强分别为Ii(i＝1，2，3)；经过SPR传感模块前的TM光光强为I0；分束镜A、B的分束比为1∶1；楔形基板的楔角为α；TM光与TM′光的样品折射率变化为Δn，光线偏移Δx′，在SPR传感模块处的反射率变化Δr；楔形基板的折射率为nw，空气的折射率为na；光源波长为λ。
由图示可知，TM′光和TM光的光程差的差值为l2-l3＝(nw-na)Δx′tanα＝AΔx′，其中A＝(nw-na)tanα为一常系数；光强探测器的分辨精度为δId；传统古斯汉森位移型SPR***探测位移的分辨精度为δxd。
因此TE光、TM光、TM′光经M-Z干涉结构后分别的干涉光强为：
TM′的干涉光强与TM光的干涉光强间的差值ΔId为：
上式代入l2-l3＝(nw-na)Δx′tanα，则：
而I3-I2＝I0Δr，因此：
将余弦函数展开：
当TM光的光程差为
(其中k为自然数)时，TM光和TE光的干涉光强随古斯汉森位移变化最灵敏。通过调整楔形平板的位置调整TM光的光程差。在此条件下由
因此(1)式可化简为：
TM′与TM光的干涉光强差值ΔId为：
因此该***的灵敏度k′为：
当
较小时，上式可近似为：
而传统古斯汉森位移型SPR***直接测量古斯汉森位移，其灵敏度k为：
该***与传统古斯汉森型***的探测极限进行对比，有：
将k′代入，得：
其中
分别为传统古斯汉森型SPR灵敏度和传统光强型SPR灵敏度，将其代入上述表达式，有：
k和kI一般由SPR传感模块本身的性质决定，由此可知，探测极限增强的倍数可以通过调整光源功率、光源波长、楔形基板的选择以及选择更高精度的光强探测的方法来提高。
结合实例，选择楔角α＝0.5°，nw＝1.58，na＝1，因此A＝0.005，光源波长λ＝632.8nm，通过SPR传感模块前的光强功率I0＝5mW，一般来说发生SPR现象时，I2＝0.1I0，则I2＝0.5mW，δxd假定为10μm，δId假定为1μW，一般来说kI近似为30RIU-1，k近似为100mm·RIU-1，因此可以计算得出：
β＝0.075+124.115≈124
由此可知，结合实际情况该***的探测极限相较于传统古斯汉森位移型***，探测极限大约提高了两个数量级。并且在实际情况中，β的表达式中的第一项一般来说是比较小的，起决定作用的是第二项，因此β通常可简化为：
本发明通过将微小的古斯汉森位移量精确转化为双光束干涉中的光程量，利用光强探测器探测干涉光强来反映光程变化，从而可以提高对微小古斯汉森位移的检测精度，相对于传统的古斯汉森位移型SPR***提高了***的探测极限，且通过分别读取TM光和TE光的干涉光强，将TE光的干涉光强变化量作为参考，从而可以消除许多共模误差，提高***的稳定性以及信噪比。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.基于M-Z干涉结构的古斯汉森位移型SPR传感器，包括激光器、偏振分光棱镜、SPR传感模块、分束镜、平面反射镜、楔形基板、偏振片、光强探测器，其特征在于：激光光源发出的光由偏振分光棱镜和反射镜的组合下分为独立的两束TM光和TE光，通过SPR传感模块后，将古斯汉森位移通过M-Z干涉结构转化为光程差量，并发生干涉，干涉光通过偏振片后由光强探测器检测得干涉光强；
所述的M-Z干涉结构由两个分束镜、两个平面反射镜和一个楔形基板组成，光束经第一个分束镜后分振幅为两束光，其中一束光经过楔形基板后，经过一个平面反射镜反射，与另一束光经另一个平面反射镜反射后在第二个分束镜处合为一束，并发生干涉。
2.根据权利要求1所述的基于M-Z干涉结构的古斯汉森位移型SPR传感器，其特征在于：所述的M-Z干涉结构中分束镜与平面反射镜互相平行且都与光束夹角为45°。
3.根据权利要求1所述的基于M-Z干涉结构的古斯汉森位移型SPR传感器，其特征在于：两面反射镜相互垂直且与和两个偏振分光棱镜的连线夹角为45°。
4.根据权利要求1所述的基于M-Z干涉结构的古斯汉森位移型SPR传感器，其特征在于：在M-Z干涉结构的两路光路中，其中一路光路中放置楔形基板将古斯汉森位移转换为光程差，楔形基板用折射棱镜或非平行平面反射镜组替代，另一光路中不放置楔形基板或放置不同楔角的楔形基板或者平行平板。
5.根据权利要求1所述的基于M-Z干涉结构的古斯汉森位移型SPR传感器，其特征在于：通过调整偏振片角度使得透过偏振片后的光只为TM光或者TE光，来实现分别对TM光和TE光干涉光强的测量。
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