一種高靈敏度表面等離子共振的測量方法及其測量系統技術方案

本發明專利技術公開了一種高靈敏度表面等離子共振的測量方法及其測量系統。該方法及系統利用連續直流光激光器在其閾值附近的輸出功率受腔內損耗變化影響顯著的原理，將表面等離子共振測量器件引入到有源激光器內，從而將ＳＰＲ效應造成的固定波長上的損耗引入到激光器腔內損耗中，使得ＳＰＲ損耗的微弱變化通過激光器輸出功率等的劇烈變化得到放大，可以大大提高表面等離子共振測量的靈敏度。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及傳感器及傳感
本專利技術具體涉及表面等離子共振測量 方法，以及實現該方法的測量系統。技術背景表面等離子(Surface Plasmon,簡稱為SP)是沿著金屬和電介質間界面傳 播的由金屬表面電荷的集體振蕩形成的振動模式；表面等離子波存在于兩種介 電常數符號相反(一般為金屬與介質)的材料交界面上。這種模式的場強在界面 處達到最大，并且在界面兩側都沿著垂直于界面的方向呈指數式衰減，從而模 場被限制在界面附近。表面等離子波色散關系可表達為/ 、1/2廣 人V q + ￡2」、￡^ + ￡2 乂ksp為金屬表面等離子波的傳播系數，A，"，c分別為波長，角頻率和光速。A 和A分別為金屬層、介質層的介電系數。表面等離子共振(Surface Plasmon Resonance,簡稱為SPR)是一種物理光 學現象，可以利用光在棱鏡界面處發生全內反射時的倏逝波等方式與金屬表面 等離子共振模式的耦合，將能量從光波耦合到等離子波，引發金屬表面的自由 電子產生表面等離子振蕩。當電場分量平行于入射平面的線偏振平面光波以特 定角度入射在介質/金屬界面上時，表面等離子的波矢與倏逝波的波矢匹配，入 射光能量耦合到表面等離子波，達到表面等離子共振，從而導致反射光能量顯 著減少。SPR的相位匹配關系可表達為A;x — fo/"0 =走sp ( 2 )由方程(1)和(2)可以看出，對于同種待測介質，SPR的產生條件是由 入射光波長和入射角度表征的函數。表面等離子共振的一種常用測量方法是強度掃描方法。該掃描方法是在入 射角度固定、入射波長固定的情況下，通過測量經過SPR傳感器的光功率透過 率的變化，來檢測被測樣品特性的變化。由于受到檢測器散粒噪聲以及系統熱 噪聲等噪聲源的影響，對于被測樣品特性發生微小變化產生的SPR透過率的微 小變化容易被噪聲所淹沒，從而限制其檢測分辨率。其中，熱噪聲的影響占主 要地位。
技術實現思路
因此，本專利技術的任務是提供一種高靈敏度表面等離子共振的測量方法；本專利技術的另 一任務是提供一種使用上述測量方法的測量系統。一方面，本專利技術提供了一種高靈敏度表面等離子共振的測量方法，包括以下步驟(1)將SPR器件調整并固定在被測樣品對應的SPR入射角度附近； (2 )將SPR器件連接到工作在一個工作在特定波長上的直流光激光器的諧 振腔內，形成諧振回路；(3) 調節泵浦光源的功率，使激光器工作在閾值附近；(4) 往樣品池中通入被測樣品，根據檢測儀器測量的信號變化，得到待測 物的變化。上述測量方法(1)中，所述光入射到SPR傳感層的角度應設置為略偏離激 光器工作波長的SPR角度。上述測量方法(2 )中，所述SPR器件置于一個工作在特定波長上的直流 光激光器的諧振腔內，且所述直流光激光器的泵浦條件控制在閾值附近。上述測量方法(4 )中，所述SPR器件的響應通過觀測激光器輸出光的功 率等的變化得到。另一方面，本專利技術提供了一種高靈敏度表面等離子共振的測量系統(圖1 所示)。包括泵浦源l、增益介質2、偏振器件3、 SPR器件4、光學濾波器5、 測量設備6和光腔7,泵浦源1向增益介質2提供能量，并可調節增益介質2 的增益大小，偏振器件3保證只有能激發SPR效應的p偏振的光入射到SPR傳 感層上，SPR器件4由SPR傳感層、光學耦合系統、和樣品池構成，測量設備6 測量輸出到光腔7外的光信號的功率大小。光腔7可以是單向的環形腔也可以 是駐波諧振光腔。上述測量系統中，所述激光腔可為單向環形腔或駐波諧振激光腔。 上述測量系統中，所述泵浦源的輸出可調節，泵浦源可為泵浦光源、電流 源、電壓源等。上述測量系統中，所述增益介質為摻雜稀土光纖或者由摻雜稀土光纖、半 導體激光放大器、固體激光晶體。上述測量系統中，所述窄帶濾波器為光柵型濾波器、薄膜干涉型濾波器、 光柵濾波器或由其它元件的波長選擇效應實現。上述測量系統中，所述檢測設備可為PIN光電檢測器、APD光電檢測器或 光功率計。本專利技術的高靈敏度表面等離子共振傳感的測量方法及其測量系統具有以下 優點1.本專利技術將采用強度掃描的SPR器件帶來的損耗引入到激光器腔內損耗 中，當被測樣品折射率發生變化時，SPR器件所產生的損耗不同。由于激光器 在閾值附近的非線性工作特性，腔內損耗的變化會對激光器的輸出造成巨大影 響，引起激光器的輸出模式和光強等特性參數的變化。因此，本專利技術能將SPR 器件在檢測不同樣品時所帶來的損耗的微弱變化產生放大作用，提高了 SPR檢測的靈敏度。2. 本專利技術中泵浦源的輸出功率大小決定了其閾值點，而閾值的變化將會帶 來信號放大作用的放大倍數和檢測范圍的改變，因此通過調節泵浦激光器的輸 出功率就可以調節可測量的范圍或測量信號的放大倍數。3. 按本專利技術的方法實現的測量系統中的所有元器件均可以固定不動，易于 實現集成化、小型化和便攜化。附圖說明圖1是一種高靈每丈度表面等離子體共振測量系統裝置示意圖。 圖1圖面說明1-泵浦源 2-增益介質 3-偏振器件4-SPR器件 5-光學濾波器 6-測量設備7-光腔圖2是一種基于光纖激光器結構的高靈敏度表面等離子體共振測量系統裝 置示意圖。圖2圖面說明1-泵浦光源2-波分復用器件3—務陣光纖 4-隔離器件5-窄帶濾波器 6-耦合棱鏡 7-傳感層8-樣品池9-SPR器件IO-分束器件 11-光功率計 12-偏振片圖3是不同折射率的被測樣品下的SPR響應的波長掃描曲線。圖4是采用本專利技術與普通強度掃描SPR的輸出信號幅度的對比曲線。具體實施方式本專利技術將采用強度掃描的SPR器件引入到激光器諧振腔中，即SPR器件的 損耗成為激光器腔內損耗的一部分。當被測樣品折射率發生變化時，SPR器件 所產生的損耗不同。由于激光器在閾值附近的非線性工作特性，腔內損耗的變 化會對激光器的輸出造成巨大影響，引起激光器的輸出光強等特性參數的變化。 因此，本專利技術能將SPR器件在檢測不同樣品時所帶來的損耗的微弱變化產生放 大作用，從而實現高靈敏度SPR檢測。在普通SPR強度掃描裝置中，設被測樣品的折射率變化為An時，由折射 率變化引起的檢測功率變化為△ IsUnal，設與信號功率無關的外界熱噪聲引起的 檢測捨號噪聲為In。ise,設k=An/AIsUnal,則系統的檢測靈敏度為S= k/I 。Ue。 設本專利技術中設^皮測樣品的折射率變化為An時，才企測功率變化力文大為AAIsUnal (A>1),則本專利技術系統的檢測靈敏度S- Ak/ Inoise=AS,即靈敏度增大為原來的 A倍。所以本專利技術采用將SPR器件連接到激光器諧振腔中的方法，可以提高SPR 測量方法及系統的靈敏度。下面以采用l肖光纖作為增益介質的環形激光器為例，推導連續直流激光 器在閾值附近的放大特性。光纖激光器可以用三能級結構的速率方程來近似表示<formula>formula see original document page 6</formula>其中N。為鉺離子摻雜濃度，N,，N2和N3為各能級的粒子數，<formula>formula see original document page 6</formula>為泵浦效率，Pp為泵浦功率，/^p本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種高靈敏度的表面等離子共振的測量方法，包括以下步驟：　（１）將ＳＰＲ傳感器件調整并固定在被測樣品對應的ＳＰＲ入射角度附近；　（２）將ＳＰＲ傳感器件連接到工作在一個工作在特定波長上的直流光激光器的諧振腔內，形成諧振回路；　（３）調節泵浦光源的功率，使激光器工作在閾值附近；　（４）往樣品池中通入被測樣品，根據檢測儀器測量的信號變化，得到待測物的變化。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：鄭錚，趙欣，萬育航，朱勁松，范江峰，
申請(專利權)人：國家納米科學中心，北京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：11[中國|北京]