專利名稱：一種矢量光束激發表面等離子體的差分干涉相位檢測方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于生物化學檢測的光學傳感和成像技術領域，特別涉及一種矢量光束激發表面等離子體的差分干涉相位檢測方法和裝置。
背景技術：
表面等離子體共振(surface Plasmon resonance, SPR)是一種物理光學現象，自從Otto和Kretschmann提出表面等離子體實現的兩種模型之后，引起廣泛的關注，并為SPR傳感和成像的發展奠定了基礎。利用SPR對于周圍介質的折射率微小變化的高靈敏度，在過去20年，SPR傳感已經極大的應用于生物醫學，實現了對于生物免疫反應的實時定量的分析，具有高靈敏度無標記的優點。同時也滲透到化學化工，材料，食品安全，環境檢測等研究領域。傳統的SPR傳感技術主要基于四種不同的檢測方式，包括強度調制檢測、角度調制檢測、光譜調制檢測和相位調制檢測Sens. Actuators B 54,3(1999)。波長調制檢測要求利用寬光譜光源，而對于選擇激光器作為光源，人們更多選擇的是其他的三種，相位檢測由于靈敏度達到 10 3_10 9RIU(0. Oldeg) [Current Opinion in Colloid &Interface Science 4, 273 (1999)，近幾年來有廣泛報道。Nikitin [Sens. Actuators B85,189(2000)利用(Mach-Zehnder)干涉法成功實現二維平面內SPR相位圖像檢測。然而由于相位調制檢測對于光路中光學元件的機械振動，光程中誤差相移比較敏感，微小的光程變化導致檢測靈敏度降低甚至出現相位檢測錯誤。H. P. Ho[0pt. Lett. 29,2378(2004)等人在Mach-Zehnder基礎上引入差分探測的辦法，就是分別利用平行的P偏正和S偏正激發光同時做相干，檢測其相位差值，由于只有P偏振的激發光才能激發表面等離子體，相位差值就反應了表面等離子體的相位調制變化，光路中引入的誤差可以在相位差值中同時消除，所以極大提高相位調制檢測穩定性和靈敏度。但是由于采用的是Kretschmann模型,選擇固定角度入射，相位調制檢測的動態范圍受到限制，現在報道達到10_3-10_4RIUAdvanCesin Optical Technologies 2012, ID 471957 (posted 11 June 2011, in press)。為了提高動態范圍，在此基礎上提出混合相干信號檢測Apolied Optics 46,8068(2007)，表面等離子體增強橢偏術Sens. Actuators BI 14,80 (2006),兩者并沒有從根本上解決動態范圍受限的問題，而且靈敏度也較Mach-Zehnder干涉法有所下降，并且橢偏術運行速度緩慢，不能實現實時檢測。2011 年 Y. H. Huang 提出基于 ATR(Attenuated Total Reflection)結構的利用柱面透鏡來增加入射角范圍，從而提高動態范圍，但入射角范圍指達到15度，所以動態范圍仍是有限Opt. Let t. 36,4092(2011)
發明內容
本發明主要目的是為了解決上述問題，提供一種利用軸對稱矢量光束激發表面等離子體共振，通過差分干涉相位檢測實現高靈敏度，大動態范圍檢測的矢量光束激發表面等離子體的差分干涉相位檢測方法和裝置。為了達到上述目的，本發明提供的技術方案是一種矢量光束激發表面等離子體的差分干涉相位檢測方法首先將測量樣品置于二維電動平臺上；通過激光器產生波長為 780nm的30mw激光束，經過45度的起偏器產生線偏振光，接著入射經1/4波片變為圓偏振光，再通過螺旋位相片(SPP)，角向濾波器(AA)，得到純角向偏振光，再經過兩個光軸角度相差67. 5°的半波片,得到徑向偏振光與角向偏振光各占50%的光束；徑向偏振光經過高數值孔徑的物鏡聚焦成為TM光波，照射在金膜表面產生表面等離子體，由于波失匹配條件，在反射成像圖中，只有特定角度會出現暗環，通過邁克爾孫干涉(Michelson干涉)得到相位干涉，通過干涉條紋提取暗環處的相位，結合暗環半徑的變化，實現超高分辨率的折射率檢測；角向偏正光聚焦經過高數值孔徑的物鏡聚焦成為TE波，照射金膜表面不能激發產生表面等離子體，在反射成像圖中，不會出現暗環；徑向偏振光經高數值孔徑聚焦得到超分辨的光斑，通過理查德沃爾夫理論(Richards&Wolf理論)模擬得到波長為780nm的徑向偏振光經高數值(N. A=L 49)聚焦光斑達到約400nm ;經過分束器分向壓電陶瓷的納米電動平移臺的一路光束，通過壓電陶瓷的納米電動平移臺實現光路補償作為具有徑向偏振光和角向偏振光的參考光路，經分束器分向測量樣品的一路光束，在高數值孔徑物鏡的聚焦條件下，聚焦于金屬薄膜表面，在大的入射角度范圍內，徑向偏振光實現其中特定角度的表面等離子體耦合，但光束大部分仍反射回來，反射回光束就攜帶了表面等離子體的強度和相位信息，作為具有徑向偏振光和角向偏振光信號光路，米用Michelson干涉方法,通過差分干涉，檢測到信號光路的徑向偏振光與角向偏振光的強度在空間分布及其相位變化；最后采用雙ccd同步采集，并就采集得到的圖像采用條紋解包裹的辦法實現檢測，最終得到徑向偏振光與角向偏正光差分信息，即待測物信息。一種矢量光束激發表面等離子體的差分干涉相位檢測裝置，其包括光源單元、傳感單元和檢測單元；光源單元包括激光器、起偏器、1/4波片、螺旋位相片(SPP)、角向濾波器、兩個光軸角度相差67. 5°的半波片、放大系統和光闌；激光器、起偏器、1/4波片、螺旋位相片(SPP)、角向濾波器、兩個光軸角度相差67. 5°的半波片、放大系統和光闌順序放置；傳感單元包括二維電動平臺、納米電動平移臺、分束器和高數值孔徑物鏡；光源單元置于分束器的下方；納米電動平移臺置于分束器的前方；高數值孔徑物鏡置于分束器的上方；二維電動平臺置于高數值孔徑物鏡上方；檢測單元置于分束器的后方；檢測單元包括角向濾波器、徑向濾波器、兩個ccd和計算機；角向濾波器和徑向濾波器分別連接有一個ccd ;兩個ccd分別與計算機連接。本發明主要可以分為光源單元，傳感單元，檢測單元。光源單元采用波長為780的30mw激光束，經過45度的起偏器，產生偏振角可知的線偏振光，接著入射經1/4波片變為圓偏振光，再通過螺旋位相片(SPP)，角向檢偏器(AA)，得到純角向偏振光，再經過兩個光軸角度相差67. 5°的半波片，可得到徑向與角向偏振光各占50%的光束。螺旋相位片(Spiral Phase Plate，簡稱SPP)是一種光學厚度與旋轉方位角成正比的純相位衍射光學元件，入射平面波通過SPP的出射光束具有螺旋相位波前。對于兩片二分之一波片的光軸夾角為A 0的光學系統，組合瓊斯矩陣可表示為Mcom = Ra 0 XM0X R_a e XM0O對于兩片二分之一波片的光軸夾角為A 0的光學系統,組合瓊斯矩陣可表示為
權利要求
1.一種矢量光束激發表面等離子體的差分干涉相位檢測方法，其特征在于首先將測量樣品置于二維電動平臺上；通過激光器產生波長為780nm的30mw激光束，經過45度的起偏器產生線偏振光，接著入射經1/4波片變為圓偏振光，再通過螺旋位相片(SPP)，角向濾波器(AA)，得到純角向偏振光，再經過兩個光軸角度相差67.5°的半波片，得到徑向偏振光與角向偏振光各占50%的光束；徑向偏振光經過高數值孔徑的物鏡聚焦成為TM光波，照射在金膜表面產生表面等離子體，由于波失匹配條件，在反射成像圖中，只有特定角度會出現暗環，通過邁克爾孫干涉(Michelson干涉)得到相位干涉，通過干涉條紋提取暗環處的相位，結合暗環半徑的變化，實現超高分辨率的折射率檢測；在反射成像圖中，不會出現暗環；徑向偏振光經高數值孔徑聚焦得到超分辨的光斑，通過理查德沃爾夫理論 (Richards&ffolf理論)模擬得到波長為780nm的徑向偏振光經高數值(N. A=L 49)聚焦光斑達到約400nm ;經過分束器分向壓電陶瓷的納米電動平移臺的一路光束，通過壓電陶瓷的納米電動平移臺實現光路補償作為具有徑向偏振光和角向偏振光的參考光路，經分束器分向測量樣品的一路光束，在高數值孔徑物鏡的聚焦條件下，聚焦于金屬薄膜表面，在大的入射角度范圍內，徑向偏振光實現其中特定角度的表面等離子體耦合，但光束大部分仍反射回來，反射回光束就攜帶了表面等離子體的強度和相位信息，作為具有徑向偏振光和角向偏振光信號光路，采用Michelson干涉方法，通過差分干涉，檢測到信號光路的徑向偏振光與角向偏振光的強度在空間分布及其相位變化；最后采用雙ccd同步采集，并就采集得到的圖像采用條紋解包裹的辦法實現檢測，最終得到徑向偏振光與角向偏正光差分信息，即待測物信息。
2.一種矢量光束激發表面等離子體的差分干涉相位檢測裝置，其特征在于該矢量光束激發表面等離子體的差分干涉相位檢測裝置包括光源單元、傳感單元和檢測單元；所述的光源單元包括激光器、起偏器、1/4波片、螺旋位相片(SPP)、角向濾波器、兩個光軸角度相差67. 5°的半波片、放大系統和光闌；所述的激光器、起偏器、1/4波片、螺旋位相片(SPP)、角向濾波器、兩個光軸角度相差67. 5°的半波片、放大系統和光闌順序放置；所述的傳感單元包括二維電動平臺、納米電動平移臺、分束器和高數值孔徑物鏡；所述的光源單元置于所述的分束器的下方；所述的納米電動平移臺置于所述的分束器的前方；所述的高數值孔徑物鏡置于所述的分束器的上方；所述的二維電動平臺置于所述的高數值孔徑物鏡上方；所述的檢測單元置于所述的分束器的后方；所述的檢測單元包括角向濾波器、徑向濾波器、兩個ccd和計算機；所述的角向濾波器和徑向濾波器分別連接有一個ccd ;所述的兩個ccd分別與計算機連接。
全文摘要
本發明公開了一種矢量光束激發表面等離子體的差分干涉相位檢測方法及裝置，經光源單元產生徑向偏振光和角向偏振光再通過傳感單元和檢測單元實現高靈敏度、大動態范圍的檢測。本發明利用軸對稱矢量光束激發表面等離子體共振，通過差分干涉相位檢測實現高靈敏度，大動態范圍檢測的。
文檔編號G01N21/21GK102621071SQ20121013173
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月27日 優先權日2012年4月27日
發明者張崇磊, 王蓉, 袁小聰 申請人:南開大學