提高表面等離子體波傳感器測量精度的方法及其傳感器技術

本發明專利技術屬于表面等離子體波傳感器的技術領域。本發明專利技術提出采用Ｐ波Ｓ波同時入射到Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ裝置，再經相位補償器補償Ｐ波的相位變化，經檢偏器后輸出接近為零，以此做為測量基點的方法，并以此方法對已有的振幅型傳感器稍加改進構成偏振型表面等離子體波傳感器，具有結構簡單，測量精度高，可廣泛適用于物理、化學、生物及機械各領域。（*該技術在2014年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術屬于各種激發表面等離子體波的傳感器的
，特別涉及對用Kretschmann裝置構成的表面等離子體波傳感器的改進。近十年來，利用Kretschmann裝置激發表面等離子體波的傳感器得到廣泛重視和研究。現已應用于物理、化學、生物及機械各領域。例如在化學領域中對各種化學成份如H2；CO；NH3及酒進行檢測，控制等。這類傳感器的結構如附圖說明圖1所示。一般包括單色光源(通常為激光)11；起偏器12；Kretschmann裝置13；光電轉換14，信號處理15。其工作原理是P偏振光在一定的條件下可以激發表面等離子體波，這個條件通常用Kretschmann裝置實現。在激發表面等離子體波時，由于能量共振轉移，其反射光強變小，檢測反射光強的變化，可以知道表面等離子體波激發的情況。在這類傳感器中，起偏器放置成只允許光源中的P偏振光(P波)通過，Kretschmann裝置一般由高折射率的玻璃或晶體做成的棱鏡(折射率為n1)并經鍍膜組成，一般先鍍金屬膜，如銀、金、鈀等(折射率為n2)再鍍傳感層(或沒有)有的還在金屬膜或傳感膜之間加中間層。激發表面等離子體波要求入射角大于全反射角。反射光特性隨入射角的變化一般如圖二所示。圖2所示曲線對金屬膜層n2及環境(折射率n3)非常敏感。所以在激發表面等離子體波的條件下，外界待測量的很小的變化，可以引起反射光很大的變化，測量反射光強的變化，可以知道待測量的變化。這就是通常的表面等離子體波傳感器工作原理。檢測靈敏度一般與最低點反射率、半寬度及待測量引起的曲線平移有關。為了提高測量靈敏度，很多研究者在金屬層和傳感層之間加中間層。希望通過多層干涉降低最低點反射率。目前的最低點一般若不用多膜干涉技術，則在百分之幾至十幾；若采用了多膜干涉技術，則在百分之一左右。這種基于測P波在激發表面等離子體波時振幅變化的各種傳感器其最低點反射率很難突0.5％，因此測量精度受到限制。本專利技術的目的在于提出一種新的測量表面等離子體波的方法，用以改進已有表面等離子體波傳感器的測量精度，并形成一種新型傳感器--偏振型表面等離子體波傳感器。具有結構簡單，測量精度高，可廣泛適用于物理、化學、生物及機械各領域。本專利技術提出一種提高已有表面等離子體波傳感器的測量精度的方法，所說的傳感器包括單色光源，起偏器組成的入射光路，Kretschmann裝置；接收反射光的光電接收器及信號檢測器，其特征在于包括以下措施(1)將所說的起偏器的位置進行調整，使入射光的P與S兩個偏振方向的光均能通過，射入Kretschmann裝置中；(2)在所說Kretschmann裝置與光電接收器之間設置相位補償器及檢偏器；(3)調整所說相位補償器及檢偏器的相對位置到所說的信號檢測器接收的信號為最小，并以此為測量基點。本專利技術設計出一種采用上述方法的偏振型表面等離子體波傳感器，包括單色光源、起偏器組成的入射光路，使入射光進行全反射的Kretschmann裝置，接收反射光的光電轉換器和信號接收器，其特征在于所說的起偏器放置成使入射光P，S二個偏振方向的光均通過的位置，還包括在所說Kretschmann裝置與光電轉換器之間設置相位補償器及檢偏器，檢偏器的檢偏方向與通過相位補償器的偏振光方向垂直。新的方法主要基于P波在激發表面等離子體波時相位也發生明顯變化(約300度)而S波由于不能激發表面等離子作波振幅和相位在感興趣的范圍內可以認為基本無變化。用新的原理做成偏振型表面等離子體波傳感器。它只需對原來的傳感器作不大的改進，而檢測分辨率可提高一至二個數量級。具有結構簡單，精度高和適應性廣的優點。本專利技術所述裝置如圖3所示。它包括單色光源(通常為激光)31；起偏器32；Kretschmann裝置33；相位補償器34；檢偏器35；光電轉換36；信號處理器37。工作原理為單色光經起偏器變為線偏振光。同原來的方案不同，這里起偏器放置的位置和已有技術的起偏器的位置有一夾角，使入射到Kretschmann裝置的光即有P波又有S波；由于P波激發表面等離子體波，反射光有相移，S波不激發表面等離子體波，反射光無相移，這樣P波和S波經Kretschmann反射后就有相位差θp’，反射光通常是橢園偏振光。相位補償器，對P波和S波有附加相移θ，調整入射角可使θp’＋θ＝mπ(m為整數)，這樣從相位補償器出射的光為線偏振光，經檢偏方向同此線偏振光垂直的檢偏器后光強降為近似零。當外界參數變化時，由于θp’的改變，檢偏器輸出的光有相對值非常大的變化，因此提高了檢測精度。對本專利技術的Kretschmann裝置鍍銀膜的實驗結果曲線(a)和改進前方案實驗結果曲線(b)如圖4所示。從實驗結果不難發現本裝置最低點光強只有入射光強的萬分之3.3，降低到已有技術的1/60，對外界微小變化，相對變化量約為已有技術的60倍，即測量靈敏度可提高一至二個數量級。采用本專利技術所述方法對原激發表面等離子體波傳感器進行改進，可大大提高其測量精度。本專利技術所構成的偏振型激發表面等離子體波傳感器適用范圍同已有技術一樣，包括物理、化學、生物和機械等領域。本專利技術可采用各種已公開的Kretschmann裝置，和棱鏡，半園柱，甚至光纖；相位補償器可用各種晶體、光纖或利用電光、磁光、彈光效應做成。單色光波長在很大范圍內變化不影響本專利技術實施，同時含P波和S波是本專利技術特點，但P波和S波的比例在很大范圍內變化不影響本專利技術實施，相位補償器補償相位的變化在很大范圍內不影響本專利技術實施，θp’＋θ＝mπ的條件可以通過改變入射角，既改變θp’來滿足。本專利技術利用偏振光的檢測，所以已有偏振光的檢測技術都可利用。如在前面加偏振調制的方法，后面再加可調相位補償，用自動或手動補償等，而且檢測精度還可以提高。圖1為已有技術的傳感器裝置結構示意圖。圖2為已有技術的傳感器的反射率曲線圖。圖3為本專利技術結構示意圖。圖4為本專利技術與已有技術反射強度曲線對比圖。本專利技術提供一種測量空氣中氫氣含量的表面等離子波傳感器實施例。其基本結構如圖3所示。其中Kretschmann裝置金屬層為Pd-Ni合金，Ni的含量約為6％，合金層純由鈀，鎳同時蒸鍍得到，合金層厚約為20nm。這個金屬層同時又是傳感層。工作原理為Pd吸收和吸附氫氣引起光學常數的變化，這可以近似看作圖四所示曲線在θ方向平移，由于θ沒變，所以檢測光強發生變化。鎳的加入是為了延長傳感器使用壽命。權利要求1.一種提高已有表面等離子體波傳感器的測量精度的方法，所說的傳感器包括單色光源，起偏器組成的入射光路，Kretschmann裝置；接收反射光的光電接收器及信號檢測器，其特征在于包括以下措施(1)將所說的起偏器的位置進行調整，使入射光的P與S兩個偏振方向的光均能通過，射入Kretschmann裝置中；(2)在所說Kretschmann裝置與光電接收器之間設置相位補償器及檢偏器；(3)調整所說相位補償器及檢偏器的相對位置到所說的信號檢測器接收的信號為最小，并以此為測量基點。2.一種采用如權利要求1所述方法的偏振型表面等離子體波傳感器，包括單色光源、起偏器組成的入射光路，使入射光進行全反射的Kretschmann裝置，接收反射光的光電轉換器和信號接收器，其特征在于所說的起偏器放置成使入射光P，S二個偏振方向的光均通過的位本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種提高已有表面等離子體波傳感器的測量精度的方法，所說的傳感器包括單色光源，起偏器組成的入射光路，Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ裝置；接收反射光的光電接收器及信號檢測器，其特征在于包括以下措施：（１）將所說的起偏器的位置進行調整，使入射光的Ｐ與 Ｓ兩個偏振方向的光均能通過，射入Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ裝置中；（２）在所說Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ裝置與光電接收器之間設置相位補償器及檢偏器；（３）調整所說相位補償器及檢偏器的相對位置到所說的信號檢測器接收的信號為最小，并以此為測量基 點。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】

【專利技術屬性】
技術研發人員：郭繼華，劉通，神帥，
申請(專利權)人：清華大學，
類型：發明
國別省市：11[中國|北京]