專利名稱：波長調(diào)制偏振型表面等離子體波傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種波長調(diào)制偏振型表面等離子體波傳感器，屬工業(yè)測試技術(shù)領(lǐng)域。
SPR傳感器的機理是P波共振激光表面等離子體波，其反射系數(shù) 對靠近激發(fā)表面介質(zhì)的折射率非常敏感。通過對反射光特性的測量可以確定折射率的變化。反射系數(shù) 是復(fù)數(shù)，這表示不僅振幅發(fā)生變化，而且反射的相位發(fā)生躍變。S波不能激發(fā)表面等離子體波，在感興趣的范圍內(nèi)，S波的反射率近似為1，相位近似為常數(shù)。通常的SPR傳感器入射波僅含P波，僅利用P波反射系數(shù)的振幅特性，可以稱為振幅型SPR傳感器。1994年，本申請人提出，在入射波中加進(jìn)S波，利用P波和S波的干涉，這樣就同時利用了P波反射系數(shù)的振幅和相位特性，這種SPR傳感器可以提供更好的分辨率。從1999年開始，這種干涉型傳感器陸續(xù)在國外有文獻(xiàn)報導(dǎo)。實驗都證明了這種傳感器比振幅型好。本申請人后來又將這種傳感器進(jìn)行了改進(jìn)，加進(jìn)了調(diào)制技術(shù)和弱信號控測技術(shù)，使分辨率再一次得到提高，折射率分辨率可達(dá)1×10-7。并申請了專利，申請?zhí)枮?8124488.2，該技術(shù)的缺點是工作點直流光強背景在理論上不為零，(如果為零，靈敏度也為零)。由于白噪聲正比于直流光強的開方，因而傳感器的噪聲還比較大。
本發(fā)明設(shè)計的波長調(diào)制偏振型表面等離子體波傳感器，包括激光器、起偏器、傳感部件、1/4波片、檢偏器、光電轉(zhuǎn)換器、鎖相放大器、計算機以及信號發(fā)生器；由激光器產(chǎn)生的激光經(jīng)起偏器后變成線偏振光，該線偏振光入射到傳感部件中的光反射面，反射后的出射光經(jīng)l/4波片后成為左旋和右旋園偏振光，園偏振光經(jīng)檢偏器變成線偏振光，該線偏振光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成為電信號，該電信號經(jīng)鎖相放大器后輸入計算機，顯示測量結(jié)果，信號發(fā)生器發(fā)出信號對激光器的激光波長進(jìn)行調(diào)制，同時輸入鎖相放大器，對光電轉(zhuǎn)換信號進(jìn)行解調(diào)。
本發(fā)明設(shè)計的傳感器，同已有技術(shù)相比較，本發(fā)明采用波長調(diào)制而非磁光調(diào)制；另外，本發(fā)明給出的光學(xué)系統(tǒng)，可以通過調(diào)節(jié)，使工作點直流光強背景在理論上為零，從而減少了光學(xué)系統(tǒng)的白噪聲對測量的影響，可以進(jìn)一步提高測量的分辨率。
圖2是本發(fā)明設(shè)計的傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。


圖1和圖2中，1是激光器，2是起偏器，3是磁光調(diào)制器，4是表面等離子體波激發(fā)裝置，5是1/4波片，6是檢偏器，7是光電接收器，8是信號發(fā)生器，9是鎖相放大器，10是A/D轉(zhuǎn)換器，11是計算機。
上述傳感器的工作原理如下激光經(jīng)起偏器2變成線偏振光，入射光即含P波Ep又含S波Es。令起偏方向和P波夾角為α，則Ep、Es和α有關(guān)系Es/Ep＝tgαP波激發(fā)表面為離子體波，其反射系數(shù)為 是待測折射率函數(shù)。S波不能激發(fā)表面等離子體波，反射系數(shù)為 。令 其中rs約為1，s近似為一個常數(shù)。激光的波長調(diào)制是通過改變半導(dǎo)體激光器的電流來實現(xiàn)的。設(shè)調(diào)制振幅為M’，調(diào)制頻率Ω。在P波反射率最小點，這個波長調(diào)制實際上僅對p起調(diào)制作用，相當(dāng)于相位調(diào)制。其相位調(diào)制振幅大小 其中λ0為共振波長。光通過與P波成45°的1/4波片后，P波和S波分別變成左旋和右旋圓偏振光。經(jīng)檢偏器變成同一方向線偏振光，產(chǎn)生干涉。設(shè)檢偏器檢偏方向和P波的夾角為θ，則光電按收器接收的光強信號為 上式雖然復(fù)雜，但物理意義簡單，在θ＝0 M＝0的情況，上式相當(dāng)于Es波和 兩個波的干涉，令p＝p0+Δp其中p0為我們選擇的工作點。在不加調(diào)制時，在工作點I為零的條件為 這樣可以通過調(diào)節(jié)起偏器13，使tgα＝rp使4.1式得到滿足。通過調(diào)檢偏器使4.2式得到滿足。實現(xiàn)在工作點沒有調(diào)制時直流光強在理論上為零。
當(dāng)4.1式和4.2式都得到滿足時，I＝2rpEsEp[1-cos(Δp+MsinΩt)](5)由于M和Δp都是微小量，將(5)式用臺勞公式展開得I＝rpEsEp[Δp2+M2sin2Ωt] (6)+2rpEsEpΔpMsinΩt(6)式的第一項含有直流背景，但它是一個二階小量，比前一個專利所給的方案小得多。第二項為頻率為Ω的的信號，它正比于Δp和M。用鎖定放大器可以將Δp檢測出來。折射率控測分辨率 同已有技術(shù)比較，此方案調(diào)試也比較方便。
圖2所示的光學(xué)系統(tǒng)即為一個實施例。其中激光器選半導(dǎo)體激光器，功率1.5-3mw即可。起偏器檢偏器用吸收片偏振器就可以。光電按收器用PIN管即可。信號發(fā)生器及鎖定放大器，計算機都有產(chǎn)品。
本發(fā)明的傳感器中，傳感部件光反射面上金膜厚度雖然在很寬的范圍內(nèi)都可以滿足工作點處直流光強背景在理論上為零，但建議金膜厚度取40-45nm比較合適。
在共振激發(fā)表面等離子體波SPR譜的任意處，雖都可以選作工作點，使直流光強在理論上為零。但建議工作點選在rpmin處，或盡可能靠近。
本發(fā)明設(shè)計的傳感器的調(diào)試方法如下1、轉(zhuǎn)動起偏器，使α＝0，此時儀器相當(dāng)于振幅型SPR傳感器，改變?nèi)肷浣?，找到rpmin的位置并記下大小。
2、轉(zhuǎn)動起偏器盡可能使tgα=rpmin]]>3、不加調(diào)制信號，轉(zhuǎn)動檢偏器17找到直流光強最小的位置。
4、微調(diào)起偏器。進(jìn)一步找到直流光強最小的位置。這時直流的大小在理論上應(yīng)為零。實際上可以達(dá)到入射光強的1×10-3以下。
5、加調(diào)制，開始工作。
其它波長的激光或其它調(diào)制波長的方法不影響本方案實施。
用其它相位補償?shù)姆椒?，只要滿足工作點直流光強在理論上為零，不影響本方案實施。
權(quán)利要求
1.一種波長調(diào)制偏振型表面等離子體波傳感器，其特征在于該傳感器包括激光器、起偏器、傳感部件、1/4波片、檢偏器、光電轉(zhuǎn)換器、鎖相放大器、計算機以及信號發(fā)生器，由激光器產(chǎn)生的激光經(jīng)起偏器后變成線偏振光，該線偏振光入射到傳感部件中的光反射面，反射后的出射光經(jīng)1/4波片后成為左旋和右旋園偏振光，園偏振光經(jīng)檢偏器變成線偏振光，該線偏振光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成為電信號，該電信號經(jīng)鎖相放大器后輸入計算機，顯示測量結(jié)果，信號發(fā)生器發(fā)出信號對激光器的激光波長進(jìn)行調(diào)制，同時輸入鎖相放大器，對光電轉(zhuǎn)換信號進(jìn)行解調(diào)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種波長調(diào)制偏振型表面等離子體波傳感器,包括激光器、起偏器、傳感部件、1/4波片、檢偏器、光電轉(zhuǎn)換器、鎖相放大器、計算機以及信號發(fā)生器。由激光器產(chǎn)生的激光經(jīng)起偏器后變成線偏振光,入射到傳感部件中的光反射面,反射后的出射光經(jīng)1/4波片后成為左旋和右旋園偏振光,經(jīng)檢偏器變成線偏振光,經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成為電信號,該電信號經(jīng)鎖相放大器后輸入計算機,顯示測量結(jié)果,信號發(fā)生器發(fā)出信號對激光器的激光波長進(jìn)行調(diào)制,同時輸入鎖相放大器,對光電轉(zhuǎn)換信號進(jìn)行解調(diào)。本發(fā)明設(shè)計的光學(xué)系統(tǒng),可以通過調(diào)節(jié),使工作點直流光強背景在理論上為零,從而減少了光學(xué)系統(tǒng)的白噪聲對測量的影響,可以進(jìn)一步提高測量的分辨率。
文檔編號G01N21/25GK1342895SQ0113667
公開日2002年4月3日 申請日期2001年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月26日
發(fā)明者郭繼華, 孫家林, 許小楠, 李復(fù) 申請人:清華大學(xué)