專利名稱：測定不同介質(zhì)的折射系數(shù)的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量各種介質(zhì)的折射系數(shù)的方法，以及實施這種方法的裝置。為此目的，利用了在一個邊界層金屬介質(zhì)中的表面等離子體的激發(fā)，以及諧振條件對該層，或鄰接該金屬層的涂層體系的折射系數(shù)的依賴關(guān)系。更確切地講，本發(fā)明涉及到利用光纖發(fā)射和派生信號。本發(fā)明的可能的應(yīng)用在于用于測量物理，化學(xué)和生物量值的光纖傳感器的結(jié)構(gòu)，上述量值可以利用折射系數(shù)的變化而間接地測出。
多年來已經(jīng)對SPR傳感器進行了大量的研究。有關(guān)這方面的研究首先是從常用的具有一個固體玻璃棱鏡的Kretschmann裝置著手的(EP-PS 0 410 505)，試圖把多模光纖用于耦合和斷開單色光。通過移動該光纖設(shè)定工作點，測定接收光纖反射的輻射強度。
“基于表面等離子體詢問的光纖傳感器”(”Fibre-optic sensorbased on Surface plasmon interrogation”，Letizia De Maria，et.al.Sensors and Actuators B，12(1993)221-223)一文中公開了一種光纖傳感器，該傳感器利用單模光纖的磨成斜面并且鍍有涂層的端面作為傳感器探頭。
該傳感器也利用氦-氖激光器發(fā)射的單色光操作，并且用一個旋轉(zhuǎn)λ/2延遲盤進行極化。在僅用TM-波激發(fā)表面等離子而用TE-波作為參考信號時，在檢測器中產(chǎn)生的正弦信號有一個最小值和一個最大值。在這種裝置中的精確的測量需要最佳的極化和高度穩(wěn)定的波長。這種裝置的缺點是必須用機械系統(tǒng)來使λ/2盤旋轉(zhuǎn)，并且傳感器探頭散射回來的光的強度很低。
EP-PS 0 326 291中也公開了一種利用玻璃光纖的SPR-傳感器，但在這種傳感器中不能得到光纖派生信號。
DE-PS 43 05 830中公開了一種光纖SPR-傳感器，這種傳感器難于調(diào)節(jié)，這是由于它使用了兩個光纖來激發(fā)和向后反射耦合光。
在“新的基于表面等離子體激發(fā)的”直插式”光纖傳感器”(New”in-line”optical-fibre sensor based on surface plasmonexcitat ion，R.Alonso，F(xiàn).Villuendas，J.Tornos and J.Pelayo，Sensors and Actuators A，37-38(1993)187-192)一文中描述了一種以單模光纖為基礎(chǔ)的SPR-傳感器。在這種傳感器中表面等離子體諧振的激發(fā)是由埋置在環(huán)氧樹脂中的單模光纖的研磨圓周上的一層薄的金鍍層(15-35nm)產(chǎn)生的。
在這種傳感器中也是把線性極化單色光耦合到光纖中，并且將傳輸作為測量值來評估。
由于利用了相干源和需要穩(wěn)定的波長，因此在這種情況下很難制造精確量值的傳感器。
在公開的“新的基于表面等離子體諧振的用于生物化學(xué)檢測的光纖傳感器”(A Novel Surface Plasmon Resonance Fibre Optic SensorApplied to Biochemi cal Sensing，R.C.Jorgenson et.al.，SPIE VOL.1886(1993)，p.35-48)一文中，多模玻璃纖維芯的蒸發(fā)鍍覆的圓柱面用于激發(fā)具有寬帶光的表面等離子體。借助分光計分析光纖點上反射的信號。在這種裝置中，阻尼最大的波長就是鄰接于金屬層的介質(zhì)的折射系數(shù)的量值。由于多種模式而造成的多種不同波長的表面等離子體的激發(fā)，本裝置的最大缺點在于嚴重的諧振傳播。
本發(fā)明的目的是提出一種光纖SPR-傳感器，這種傳感器具有適當?shù)哪芰?，并且適于使用多模纖維，而且消除了由于多種不同的模式而造成的有害的諧振傳播。
根據(jù)本發(fā)明，這個目的是通過權(quán)利要求1中所述的方法而完成的。權(quán)利要求2表述了本發(fā)明的裝置。
從屬權(quán)利要求進一步表述了本發(fā)明的優(yōu)選改進。
本發(fā)明的用于激發(fā)表面等離子體諧振的方法特別適用于利用光纖發(fā)射和派生信號。特別是當把多模光纖與寬帶光一起使用時，可以制造具有精確測量值的傳感器。在這方面考慮了小型化分光計技術(shù)的進展，例如LIGA技術(shù)的進展。與圓柱體表面的蒸鍍涂層相比較，由于可以通過相應(yīng)的透鏡準直輻射光，利用本發(fā)明可以取得較窄的諧振。在對平面端面部分的安排的進一步的改進中，通過利用極化濾波器可以排除TE-波，因此諧振波長的反射光的強度可以降低到0％。
測值精良的分量和對波長起伏的低靈敏度是不使用單模光纖或相干源的改進的特殊優(yōu)點。
通過以下結(jié)合附圖的說明本發(fā)明的其它的優(yōu)點，特征和可能的應(yīng)用將更為清楚，附圖顯示了

圖1是一個透光體的具有兩個平的傾斜部分表面的端面；圖2是一個具有錐形端面的透光體的端面；圖3是一個具有截錐形端面的透光體的端面；圖4是以示例方式給出的觸發(fā)和評估單元的電路圖；圖5是傳感器探頭的示意圖。
如附圖所示，平行于透光圓柱體1的軸線的光線5在端面2的多個部分表面3，4上反射，適當?shù)丶庸ざ嗣?的多個部分表面3，4，使得光線5經(jīng)過至少兩次反射而返回時依然平行于圓柱體1的軸線，在至少一次反射中所用的角度和波長激發(fā)出表面等離子體。如果制造上有利，并且如果SPR-金屬層有足夠大的反射系數(shù)，用于反射的第二部分表面4也可以涂覆同樣的涂層體系7。
在這種情況中，圓柱體1可以是，例如，玻璃棒，棒形透鏡，GRIN透鏡或也是光纖。所用的材料必須對所用波長的光是透明的。
在根據(jù)圖5的實施例中，棒形透鏡8的端面2是這樣加工的，使其產(chǎn)生兩個平的部分表面3，4，這兩個部分表面的夾角α＝90°。因此部分表面3，4的相交的直線垂直于圓柱體1的軸線。
在另一端，多模光纖10的端面位于圓柱體1的軸線的延長線上的凸透鏡9的焦點上，用于發(fā)射和派生寬帶光5。
圖4顯示了可能用于評估傳感器信號的光電系統(tǒng)的示意圖。
連接電源11，分光計12，13和經(jīng)過一個插入式連接器15連接于傳感器探頭14的電源線連接于一個X-耦合器16。分光計12，13用于獲得傳感器信號和固定原始頻譜的參考信號。
權(quán)利要求
1.助于表面等離子體諧振(SPR)利用可以檢測到的物理、化學(xué)和生物的量值變化，測定各種不同介質(zhì)的折射系數(shù)的方法，特征在于把光束(5)耦合于一個圓柱體(1)，該圓柱體最好是一種對這個光輻射是透明的光纖或棒形透鏡，該耦合的光束(5)經(jīng)過端面(2)的部分表面(3，4)多次反射之后從透光體(1)的端面(2)返回到耦合和斷開點，在至少一次反射過程中激發(fā)表面等離子體諧振。
2.實施根據(jù)上述權(quán)利要求的方法的裝置，其特征在于透光圓柱體(1)的端面(2)具有傾斜一個角度(α)的部分表面(3)，為了利用表面等離子體諧振測量，該部分表面(3)具有一個SPR-激發(fā)涂層(6)或這類本身已知的涂層體系(6)，并且還有一個傾斜一個角度(β)的部分表面(4)鄰接這個部分表面(3)，該部分表面(4)僅有反射作用或者是涂覆有用于激發(fā)與部分表面(3)一致的表面等離子體諧振的涂層。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于傾斜部分表面(3，4)是平的表面。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于角度α和β之和為90°。
5.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于角度α和β等于30°。
6.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于傾斜部分表面(3，4)是結(jié)合在一起的部分錐形表面。
7.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于傾斜表面(3，4)是結(jié)合在一起的部分截錐形表面。
8.如權(quán)利要求5或6所述的裝置，其特征在于角度α和β等于30°。
9.如權(quán)利要求5或6所述的裝置，其特征在于角度α和β等于45°。
10.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于一個傾斜的部分表面(3)是一個平的表面，另一個傾斜的部分表面(4)是一個部分截錐形表面或是一個部分錐形表面。
11.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于對于光輻射是透明的圓柱體(1)是一種在光纖或棒形透鏡意義上的圓柱形光波導(dǎo)。
12.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于耦合的光(5)是平行光。
13.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于耦合的光(5)是經(jīng)由外部的或光學(xué)連接的光學(xué)透鏡(9)或一種光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的。
14.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于耦合的光是不平行光。
全文摘要
本發(fā)明的目的是提出了一種光纖SPR-傳感器，這種傳感器具有適當?shù)哪芰浚⑶疫m于使用多模纖維，從而消除了由于選用多種不同的模式而造成的有害的諧振傳播。借助于激發(fā)表面等離子體以測定各種不同介質(zhì)的折射系數(shù)的方法，以及為實現(xiàn)該方法所采用的其部分表面具有-SPR激發(fā)涂層或類似的涂層體系，且?guī)в幸粌A斜角度為β的并與上述部分表面相鄰接的表面的裝置而達到上述目的。
文檔編號G02B1/10GK1152957SQ95194088
公開日1997年6月25日 申請日期1995年7月13日 優(yōu)先權(quán)日1994年7月13日
發(fā)明者馬蒂亞斯·勞, 烏韋·基希納 申請人:馬蒂亞斯·勞, 烏韋·基希納