波長調制偏振型表面等離子體波傳感器的制作方法

專利名稱：波長調制偏振型表面等離子體波傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種波長調制偏振型表面等離子體波傳感器，屬工業測試技術領域。
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 對靠近激發表面介質的折射率非常敏感。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 是復數，這表示不僅振幅發生變化，而且反射的相位發生躍變。S波不能激發表面等離子體波，在感興趣的范圍內，S波的反射率近似為1，相位近似為常數。通常的SPR傳感器入射波僅含P波，僅利用P波反射系數的振幅特性，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在國外有文獻報導。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行了改進，加進了調制技術和弱信號控測技術，使分辨率再一次得到提高，折射率分辨率可達1×10-7。并申請了專利，申請號為98124488.2，該技術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。
本發明設計的波長調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、光電轉換器、鎖相放大器、計算機以及信號發生器；由激光器產生的激光經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l/4波片后成為左旋和右旋園偏振光，園偏振光經檢偏器變成線偏振光，該線偏振光經光電轉換器轉換成為電信號，該電信號經鎖相放大器后輸入計算機，顯示測量結果，信號發生器發出信號對激光器的激光波長進行調制，同時輸入鎖相放大器，對光電轉換信號進行解調。
本發明設計的傳感器，同已有技術相比較，本發明采用波長調制而非磁光調制；另外，本發明給出的光學系統，可以通過調節，使工作點直流光強背景在理論上為零，從而減少了光學系統的白噪聲對測量的影響，可以進一步提高測量的分辨率。
圖2是本發明設計的傳感器的結構示意圖。


圖1和圖2中，1是激光器，2是起偏器，3是磁光調制器，4是表面等離子體波激發裝置，5是1/4波片，6是檢偏器，7是光電接收器，8是信號發生器，9是鎖相放大器，10是A/D轉換器，11是計算機。
上述傳感器的工作原理如下激光經起偏器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有關系Es/Ep＝tgαP波激發表面為離子體波，其反射系數為 是待測折射率函數。S波不能激發表面等離子體波，反射系數為 。令 其中rs約為1，s近似為一個常數。激光的波長調制是通過改變半導體激光器的電流來實現的。設調制振幅為M’，調制頻率Ω。在P波反射率最小點，這個波長調制實際上僅對p起調制作用，相當于相位調制。其相位調制振幅大小 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。經檢偏器變成同一方向線偏振光，產生干涉。設檢偏器檢偏方向和P波的夾角為θ，則光電按收器接收的光強信號為 上式雖然復雜，但物理意義簡單，在θ＝0 M＝0的情況，上式相當于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。在不加調制時，在工作點I為零的條件為 這樣可以通過調節起偏器13，使tgα＝rp使4.1式得到滿足。通過調檢偏器使4.2式得到滿足。實現在工作點沒有調制時直流光強在理論上為零。
當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 同已有技術比較，此方案調試也比較方便。
圖2所示的光學系統即為一個實施例。其中激光器選半導體激光器，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。信號發生器及鎖定放大器，計算機都有產品。
本發明的傳感器中，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。
本發明設計的傳感器的調試方法如下1、轉動起偏器，使α＝0，此時儀器相當于振幅型SPR傳感器，改變入射角，找到rpmin的位置并記下大小。
2、轉動起偏器盡可能使tgα=rpmin]]>3、不加調制信號，轉動檢偏器17找到直流光強最小的位置。
4、微調起偏器。進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為零。實際上可以達到入射光強的1×10-3以下。
5、加調制，開始工作。
其它波長的激光或其它調制波長的方法不影響本方案實施。
用其它相位補償的方法，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。
權利要求
1.一種波長調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、光電轉換器、鎖相放大器、計算機以及信號發生器，由激光器產生的激光經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1/4波片后成為左旋和右旋園偏振光，園偏振光經檢偏器變成線偏振光，該線偏振光經光電轉換器轉換成為電信號，該電信號經鎖相放大器后輸入計算機，顯示測量結果，信號發生器發出信號對激光器的激光波長進行調制，同時輸入鎖相放大器，對光電轉換信號進行解調。
全文摘要
本發明涉及一種波長調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、光電轉換器、鎖相放大器、計算機以及信號發生器。由激光器產生的激光經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1/4波片后成為左旋和右旋園偏振光,經檢偏器變成線偏振光,經光電轉換器轉換成為電信號,該電信號經鎖相放大器后輸入計算機,顯示測量結果,信號發生器發出信號對激光器的激光波長進行調制,同時輸入鎖相放大器,對光電轉換信號進行解調。本發明設計的光學系統,可以通過調節,使工作點直流光強背景在理論上為零,從而減少了光學系統的白噪聲對測量的影響,可以進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 優先權日2001年10月26日
發明者郭繼華, 孫家林, 許小楠, 李復 申請人:清華大學