一種基于Ｐ偏振光的棱鏡ＳＰＲ傳感器檢測系統，屬于棱鏡ＳＰＲ傳感器系統技術領域。依次由光源（１）、多模光纖（２）、棱鏡ＳＰＲ傳感器（４）、凸透鏡（５）、通過多模光纖（６）接受上述凸透鏡（５）傳來光線的光譜儀（７）與上述光譜儀相連的計算機（９）組成，其特征在于：在上述光源（１）與棱鏡ＳＲＰ傳感器（４）之間還設有分光帶寬為４００ｎｍ－１０００ｎｍ的偏振分光棱鏡（３）。該方法使光譜中共振波谷半波寬度減小，更利于波長調制方法中共振波長參數的分析和檢測，也有利于改善棱鏡分布式測量系統檢測共振光譜中各個共振波谷的粘連現象。本發明專利技術有光路簡單、共振波谷窄、檢測精度高等特點。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種將偏振分光棱鏡分光特性與棱鏡SPR傳感器檢測術結合在 一起的新型棱鏡SPR傳感器系統，它有效提高了該類傳感器的檢測精度，可應 用于折射率、溫度等各種參數的精確測量。
技術介紹
偏振分光棱鏡(PBS, Polarization Beam Splitter)最早由麥克納爾 (S.MaoNeille)提出，并首先由貝寧(M.Banning)實際制備。它的設計原理是 尋找這樣一個入射角，使之對于兩種不同折射率的界面滿足布儒斯特角，在這樣 的條件下，P偏振光的反射完全消失。這兩種材料能夠交替疊加構成多層膜堆， 而對P偏振光不產生任何反射。對于實際的薄膜材料，這個條件只有當光線從一 高折射率介質入射到多層膜上時才能實現。因此，通常將多層膜校核在玻璃棱鏡 中間，并通過選擇材料種類使得兩種材料在滿足折射定律的同時對P偏振光的有 效折射率相等。同時疊加出了有效厚度為四分之一波長的多層膜堆，以保持對S 偏振光的高反射性。為了PBS的分光效果能適應于更寬的波長帶寬，還能在兩種 材料之間增鍍一層折射率適中的材料層，或者增加兩種材料中任一種材料的厚 度。目前，PBS由于其低廉的價格和良好的分光性能被廣泛應用在各種光電儀器 之中。最典型的應用就是在液晶電視的影像投影中，通過PBS得到了高偏振度的 偏振光，改善了對比度性能。SPR ( Surface Plasmon Resonance,表面等離子體波共振)效應是由光波與金 屬電子相互作用而引起的一種光電子現象。表面等離子體波(SPW, Surface PlasmonWave)是沿著金屬和電介質之間界面傳播的電磁波形成的。當光入射到 基體與金屬交界面之上，并發生衰減全反射時，倏逝光波與SPW發生耦合。若沿 界面的光波矢量分量與SPW的矢量分量相等，則發生SPR現象，入射光能量被大 量吸收，致使反射光能量顯著減少。此時入射光的入射角叫做共振角，入射光波長叫做共振波長。由于SPR對金屬表面電介質的折射率非常敏感，因此一系列基于SPR效應的 傳感器應運而生，其中棱鏡SPR傳感器發展最為成熟，應用最為廣泛。該傳感 器主要采用基于Kretschmann結構的棱鏡形式(見附圖2)，此形式1968年由德國 學者Kretschmann在"Radiative decay of non-radiative surface plasmons excited by light" —文中首先提出。傳感器組成為等腰直角棱鏡(10)的底面上涂鍍一層 金屬膜(11),金屬膜外有樣品池(12)來裝載待測液體樣本。棱鏡SPR傳感器檢測系統主要有角度調制、相位調制、強度調制和波長調制 四種調制形式，四種方式都有著普遍的應用。1988年由Zhang等人組建了第一套 基于波長調制方式的棱鏡SPR傳感器系統，檢測了丙酮水溶液的折射率變化情 況，該文章并發表在Electro丄ett期刊上。其檢測系統組成為白光光源(13)發 射出來的光經由凸透鏡(14)匯聚后照射在棱鏡SPR傳感器(15)上，出射光再 經由凸透鏡(16)耦合入多模光纖(17)，并傳導到與多模光纖(17)相連的光 譜儀(18)之內，光譜儀(18)通過數據線與計算機(19)相連。上述檢測系統組成形式能夠實現一定程度上的折射率檢測，但是由于所用的 激發SPR效應的光源中同時存在有效部分P偏振光和無效部分S偏振光，所以使得 共振光譜曲線波谷半波寬度過寬，谷底過于平坦。而所要檢測的共振波長是對應 于谷底最低點，即共振強度最小點的。這樣，谷底過于平坦勢必影響最小共振強 度點的確定，從而影響了共振波長的檢測，也嚴重影響了波長調制型棱鏡SPR 傳感器的檢測精度。
技術實現思路
本專利技術的主要目的在于克服傳統基于波長調制的棱鏡SPR傳感器檢測系統 共振波谷半波寬度過寬的缺點，提供一種方便快捷且檢測精度高的單P光分量棱 鏡SPR傳感器檢測系統的實現方法。同時針對光源帶寬范圍和分光比要求，采用 了自行設計的棱鏡材料和多層膜系，克服了常用偏振分光棱鏡帶寬不適合該棱鏡 SPR傳感器檢測系統的不足。一種基于P偏振光的棱鏡SPR傳感器檢測系統，依次由光源、多模光纖、 棱鏡SPR傳感器、凸透鏡、通過多模光纖接受上述凸透鏡傳來光線的光譜儀與 上述光譜儀相連的計算機組成，其特征在于在上述光源與棱鏡SRP傳感器之間還設有分光帶寬為400nm-1000nm的偏振分光棱鏡。上述分光帶寬為400nm-1000nm的偏振分光棱鏡的具體組成是兩塊直角等 腰棱鏡底面貼合，組成一個立方體，貼合面中間增鍍介質膜系，該膜系由一種折 射率較大的材料及一種折射率較小的材料交替鍍制而成。膜系疊放順序依次為按照義/4膜堆的形式H/L交替疊放N層，H疊放l 層。上述H代表大折射率材料，L代表小折射率材料。上述直角等腰棱鏡折射率為"s,大折射率為""，小折射率為"、大折射率 材料的厚度為&,小折射率材料的厚度為《。"s、 和 可根據布儒斯特角 條件和折射定律確定。"w和《通過設計帶寬的中心波長及展寬帶寬要求確定。 另外通過計算P偏振光和S偏振光透射率隨膜系層數變化的值，取使得P偏振 光透射率趨近于1, S偏振光透射率趨近于0時的N作為最終鍍膜總層數。義/4膜堆為實現寬帶波長范圍內的反射率要求，可以將一種折射率大的材 料和一種折射率小的材料交替疊加，并使最外面兩層材料都是折射率大的材料。 每層膜的厚度為所要實現的帶寬的中心波長的1/4。中心波長寬帶光源發出的光東含有很多不同波長的光線，這些波長組成一 個連續的波長范圍，此波長范圍內的中間值就是該寬帶光源的中心波長。如光源 為包含400nm ~ 1000nm波長范圍的寬帶光源，那么它的中心波長就是 (400+1000) /2nm,0nm。布儒斯特角條件如果存在這樣一個入射角度，使得入射到兩種薄膜介質交 界面上的光線中的P光分量的反射率為O,那么這個角度就叫做布儒斯特角。當該條件時，對于折射率分別為 和 的兩種薄膜，可以得到公式<formula>formula see original document page 5</formula> (1)上式中^表示光線在折射率為""的薄膜中的折射角。折射定律當光線從一種介質入射到另一種介質中時，折射光線位于入射光 線和界面法線所決定的平面內，折射光線和入射線分別在法線的兩側，入射角的正弦與折射角的正弦之比等于對應介質折射率的反比。對于折射率分別為 、 和"i的三種介質，有關系 sin & = ww sin & = "￡ sin ( 2 )&、 ^和^分別表示在折射率為"s、 和"L的三種介質中光線與入射界面法線的夾角。當光線從一種介質(折射率為巧)入射到另一種介質(折射率為"2)時，P偏振光和S偏振光的透射率分別表示為7>=1 —巧cos《-w2 COS《〕 ! cos 62 + "2 COS《乂、777] COS《-W2 COS《(3)(4)Mj COS《+M2 COS《上兩式中，《和A分別表示在折射率為A和A的兩種介質中光線與入射界面法線的夾角。上述基于P偏振光的棱鏡SPR傳感器檢測系統，其主要特征在于利用偏振分光棱鏡對入射到其中間膜系上的S偏振光的高反射本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種基于Ｐ偏振光的棱鏡ＳＰＲ傳感器檢測系統，依次由光源（１）、多模光纖（２）、棱鏡ＳＰＲ傳感器（４）、凸透鏡（５）、通過多模光纖（６）接受上述凸透鏡（５）傳來光線的光譜儀（７）、與上述光譜儀相連的計算機（９）組成，其特征在于：在上述光源（１）與棱鏡ＳＲＰ傳感器（４）之間還設有分光帶寬為４００ｎｍ－１０００ｎｍ的偏振分光棱鏡（３）。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：梁大開，萬艷，曾捷，張曉麗，趙志遠，
申請(專利權)人：南京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：84[中國|南京]
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