CN101398378B - 一种表面等离子共振的相位测量方法及其测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度表面等离子共振的相位测量方法及其测量系统。该方法及系统利用表面等离子共振效应的偏振选择性，将宽谱光通过不同的偏振控制器件起偏并检偏，实现不同偏振方向的偏振光的干涉，同时利用偏振相关的延时元件在不同偏振方向的偏振光之间引入一定的延时差，产生光谱上的干涉条纹，从而实现通过检测具有干涉条纹的光谱分布获得表面等离子共振效应的频域相位响应信息的功能。本发明能够在很简单的结构下精确检测表面等离子共振效应的频域相位响应，避免了干涉仪等复杂光学系统，增加了检测系统的可靠性和稳定性，便于实现集成化、小型化和便携化。本发明可以结合波长扫描方式和相位检测方法实现很高的系统灵敏度。

Description

一种表面等离子共振的相位测量方法及其测量系统

技术领域

本发明涉及传感器及传感技术领域。本发明具体涉及表面等离子共振测量方法，以及实现该方法的测量系统。

背景技术

表面等离子(Surface Plasmon，简称为SP)是沿着金属和电介质间界面传播的由金属表面电荷的集体振荡形成的振动模式；表面等离子波存在于两种介电常数符号相反(一般为金属与介质)的材料交界面上。这种模式的场强在界面处达到最大，并且在界面两侧都沿着垂直于界面的方向呈指数式衰减，从而模场被限制在界面附近。表面等离子波色散关系可表达为：

$k_{\mathrm{sp}}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1{\mathrm{\ϵ}}_2}{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2}\right)}^{1/2}=\frac{\mathrm{\ω}}{c}{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1{\mathrm{\ϵ}}_2}{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2}\right)}^{1/2}---\left(1\right)$

k_sp为金属表面等离子波的传播系数，λ，ω，c分别为波长，角频率和光速。ε₁和ε₂分别为金属层、介质层的介电系数。

表面等离子共振(Surface Plasmon Resonance，简称为SPR)是一种物理光学现象，可以利用光在棱镜界面处发生全内反射时的倏逝波等方式与金属表面等离子共振模式的耦合，将能量从光波耦合到等离子波，引发金属表面的自由电子产生表面等离子振荡。当电场分量平行于入射平面的线偏振平面光波以特定角度入射在介质/金属界面上时，表面等离子的波矢与倏逝波的波矢匹配，入射光能量耦合到表面等离子波，达到表面等离子共振，从而导致反射光能量显著减少，且相位显著变化，体现在观测到的物理量上会发现反射光强度减小，且反射光波的相位也随之产生跳变。SPR的相位匹配关系可表达为：

    k_x＝ksinθ＝k_sp    (2)

由方程(1)和(2)可以看出，对于同种待测介质，SPR的产生条件是由入射光波长和入射角度表征的函数。因此，目前应用的SPR检测扫描方法均是基于改变入射光条件的。常用的扫描方法主要有角度扫描和波长扫描两种：

1.角度扫描方法(Angular Interrogation)：这是传统表面等离子共振传感器最常用的扫描方式。该法使用固定波长的光源，通过改变入射光在SPR检测结构界面上的入射角度，来寻找SPR共振角。

2、波长扫描方法(Wavelength Interrogation)：该方法是在近平面光束的入射角度固定的情况下，以宽谱光源入射，采用光谱仪或单色仪等测量反射光的光谱，从而得到不同入射波长下的SPR光谱响应，来寻找能产生SPR共振的对应光波长。

以上两种方法中用来判断SPR共振发生的物理量通常为强度。虽然SPR造成的相位变化比强度变化更显著，从而可能实现比检测强度更高的系统灵敏度，但由于目前研究的相位检测的实验装置和过程往往过于复杂，所以目前常用的还是利用检测反射光的强度来判断SPR共振的发生。

发明内容

因此，本发明的任务是提供一种表面等离子共振的相位测量方法；

本发明的另一任务是提供一种使用上述测量方法的测量系统。

一方面，本发明提供了一种表面等离子共振的相位测量方法，包括以下步骤：

(1)将具有一定线偏振方向的宽谱光以固定角度入射到待测SPR样品表面，该线偏振方向应使入射光同时包含s光和p光分量，该方向可以与s光偏振方向呈45°，入射光在SPR样品表面发生反射；

(2)对所述入射宽谱光和/或所述SPR反射光通过偏振相关的延时元件以引入s光和p光之间一定的延时差；

(3)对上述SPR反射光在另一特定线偏振方向进行检偏，该线偏振方向应介于s光和p光偏振方向之间，该方向可以与s光偏振方向呈45°；

(4)测量通过检偏器的光信号的光谱，通过分析光谱信号得到SPR效应的相位信息。

进一步地，还包括步骤(4)利用波长扫描下相位检测的数据处理方法确定SPR被测样品的折射率变化等信息。

上述方法中，所述一定线偏振方向为既包含s光分量、又包含p光分量的线偏振方向，优选使得s光分量与p光分量强度相同的45度线偏振方向。

上述方法中，所述另一特定线偏振方向为既包含s光分量、又包含p光分量的线偏振方向，优选使得s光分量与p光分量强度相同的45度线偏振方向。

上述方法中，起偏与检偏的线偏振方向可以不同，以使得光谱干涉现象明显发生为宜。

上述方法中，偏振相关的延时元件引入的s光和p光之间的延时差以使得在所使用宽谱光源的光谱范围内的光谱干涉现象明显且易于准确测量，即干涉条纹数较多同时又不超出光谱测量设备的精度范围为宜。

上述方法中，所述宽谱光以固定角度入射到待测SPR样品表面。

另一方面，本发明还提供了一种表面等离子共振的相位测量系统，包括宽谱光源、能够产生线偏振光的第一偏振控制器件、能够产生固定延时差的偏振相关延时器件、待测SPR器件、能够透过线偏振光的第二偏振控制器件、用于接收SPR反射光的光谱检测设备和用于处理所述光谱检测器设备检测结果的数据处理系统，所述偏振相关延时器件设置于宽谱光源与光谱检测设备之间的光路上。

上述测量系统中，所述宽谱光源可以是相干宽谱光源或不相干宽谱光源。

所述宽谱光源可以选择白光源、受激自发辐射(ASE)光源、超荧光二极管(SLD)光源、超连续谱光源、锁模激光器等。

所述偏振相关延时器件可以选择能够使得s光和p光产生固定延时差的器件。

所述偏振相关延时器件可以选择双折射晶体、保偏光纤等；所述双折射晶体可以为方解石(CaCO₃)、金红石(TiO₂)、钒酸钇(YVO₄)、等。

所述检测设备可以使用光谱仪、单色仪、光纤光栅解调仪等。

本发明的表面等离子共振的相位测量方法及其测量系统具有以下优点：

1.本发明通过引入偏振相关的延时元件能够在非常简单的结构下达到高灵敏度检测，相较于以往的相位检测方法避免了双臂干涉仪等复杂光学系统且多为单点检测的限制，本发明利用简单的检测方式可获得相位的波长扫描曲线，增加了检测系统的可靠性和稳定性。

2.按本发明的方法实现的传感系统中的扫描部分的光源、检测结构、检测设备等都可以固定不动，便于实现集成化、小型化和便携化。

3.按本发明的方法实现的传感系统中的光源、检测结构、检测设备等都可以实现光纤化，便于集成和微小型化。

4.按本发明的方法实现的传感系统同时采用波长扫描方式和相位检测方法因此具有比现有的角度扫描和强度检测的SPR系统产品更高的灵敏度。

5.按本发明的方法实现的传感系统采用与传统空间相干相位检测的方式不同，采用频域干涉方法进行相位检测。一次性获得相位的波长扫描曲线，从而可以通过曲线拟合、平滑等数据处理手段进一步提高检测精度和灵敏度，减小单点相位检测中误差、噪声等影响。

附图说明

图1是一种高精度SPR相位测量系统的装置示意图。

图2是ASE光源分别经两个偏振控制器件、双折射晶体和SPR器件后的测量得到的光谱强度曲线。

图3是由测量光谱的结果分析后获得的不同被检测层折射率情况下的SPR相位响应(各样品间的折射率差n为1.2*10^-4RIU)。

图面说明

1-宽谱光源2-第一偏振控制器件3-偏振相关的延时元件4-SPR器件5-耦合棱镜6-传感层7-样品池8-第二偏振控制器件9-光谱检测设备10-数据处理系统

具体实施方式

SPR效应只能由p偏振的入射光激发，而s偏振的入射光不会产生SPR效应，所以当同时有s光和p光入射到SPR元件上时，在SPR条件附近p偏振的反射光的复振幅会发生明显的幅度和相位上的变化，而s偏振的反射光则变化很小。当入射s光和p光为宽谱且二者入射光谱相同时，可用下式表示：

A_s(ω)＝A₀(ω)*R_s(ω)≈A₀(ω)R_s，0  A_p(ω)＝A₀(ω)*R_p(ω)    (3)

其中A₀(ω)为入射光谱的复振幅，A_s(ω)和A_p(ω)分别为被反射的s光和p光光谱的复振幅，R_s(ω)和R_p(ω)分别为SPR元件对s光和p光的光场反射函数。由于R_s(ω)变化很小，所以可近似为常数R_s，0。

通过比较反射的s光和p光之间的相位差可以获得SPR效应的相位响应。当s光和p光同时通过一个透过方向介于二者偏振方向之间的检偏器时，s光和p光在该透过方向上的投影分量将发生相干叠加，即干涉。上述干涉信号的光谱强度函数S(ω)在二者之间存在延时  的情况下可表示为：

S(ω)∝|A₀(ω)|²(|R_s(ω)|²+|R_p(ω)|²)+2|R_s(ω)|·|R_p(ω)|·|A₀(ω)|²cos(ωτ-φ(ω))  (4)

其中φ(ω)为R_s(ω)和R_p(ω)的相位差，在R_s(ω)近似不变的情况下，就等于R_p(ω)的相位响应，即SPR效应的相位响应。因此由上式可见S(ω)具有一项cos干涉调制项，其中的相位函数就是SPR效应的相位响应。通过测量光谱强度函数，则可以通过分析频域的干涉条纹的变化规律获得SPR效应的相位响应。

图1给出了一种高精度SPR相位检测系统及工作原理示意图。该系统包括在光路上顺序设置的宽谱光源1、第一偏振控制器件2、偏振相关的延时元件3、SPR器件4、第二偏振控制器件8、光谱检测设备9和数据处理系统10，由宽谱光源1输出的宽谱光经过第一偏振控制器件2后，成为同时具有s光和p光分量的线偏振光，经过偏振相关的延时元件3，引入s光和p光间的固定延时差，以固定角度入射到SPR器件3上，经过SPR器件3的反射，引入s光和p光由于SPR响应造成的相位差，再经过第二偏振控制器件8，使s光和p光投影到同一方向产生干涉，由检测设备9接收，并将获得的数据传送给数据处理系统11进行处理。

其中所述宽谱光源1采用ASE光源，其输出谱宽(3dB)为35nm，中心波长为1545nm；

本实例中所述偏振控制器件均采用格兰棱镜，调到45度线偏振态，前后两个偏振控制器件同向或垂直；本领域技术人员应当理解，偏振控制器件也可以使用偏振片等，且偏振方向不限于45度，以能产生明显的干涉为宜。

所述偏振相关的延时元件3采用35mm厚的双折射晶体钒酸钇，提供23ps的延时差；本领域技术人员应当理解，也可以使用不同种类的双折射晶体，如方解石金红石等，以及保偏光纤。

SPR传感器件中，采用传统的棱镜耦合Kretschmann结构，耦合棱镜5的材料为ZF-7，其折射率为1.763(在1550nm波长上)，传感层6为厚度50nm的金膜，7为样品池；

样品池7中的被测溶液为不同浓度的NaCl水溶液，各相邻样品的折射率变化差为1.2*10-4RIU；

检测设备9采用光谱仪，其波长分辨率为0.01nm，本领域技术人员应当理解，也可以使用单色仪等其他光谱检测设备。

在整个测量系统中，所述宽谱光源还可以采用其他相干或非相干宽谱光源，如白光源、受激自发辐射(ASE)光源、超荧光二极管(SLD)光源、超连续谱光源、锁模激光器等，宽谱光源的作用主要有：(i)其输出光谱中包含具有能激发SPR器件中的表面等离子共振效应相应的频谱分量，(ii)其输出光谱具有一定谱宽，包含丰富的频率分量，(iii)其输出谱宽决定了检测范围。

所述第一偏振控制器件还可以采用偏振片、波片组等，该偏振控制器件的主要作用有：(i)使得到SPR器件之前的入射光具有s和p两个方向的分量，对于SPR响应，s光分量和p光分量的相位差被调制；(ii)其偏振方向优选使得s光和p光分量强度相同的45度偏振方向。

所述第二偏振控制器件还可以采用偏振片等，该偏振控制器件的主要作用有：(i)使得s光分量和p光分量投影在一个方向上，该方向位于s光分量和p光分量偏振方向之间，从而使其输出的偏振光由于两个分量上的固定延时差和SPR引入的相位差产生干涉；(ii)其偏振方向优选使得s光和p光的投影强度相同的4 5度偏振，即与第一偏振控制器件的偏振方向相同或垂直的偏振方向；(iii)第一偏振控制器件和第二偏振控制器件的偏振方向选择以使得干涉明显发生为宜。

所述偏振相关的延时元件还可以使用双折射晶体方解石、金红石、保偏光纤等，偏振相关的延时元件的主要作用有：(i)使到达第二偏振控制器件之前的s光分量和p光分量具有一定相位差或延时差；(ii)对于光学晶体构成的延时元件，其光学主轴的方向优选使得s光和p光的延时差最大的方式，即使s光和p光分别以晶体的o光和e光方向入射；(iii)引入的相位差或延时差应使s光分量和p光分量在由第二偏振控制器件决定的方向上的投影产生明显的干涉，且相干条纹数目在频谱检测设备上较密集为宜。

偏振相关的延时元件可以放置于光源与SPR器件之间，先引入固定延时差，再激发SPR效应，引入SPR调制的相位差，或可将偏振相关的延时元件放置于SPR器件与光谱检测设备之间，先激发SPR效应，引入SPR相位差，再引入固定延时差。或者在SPR器件的前后分别设置一个或多个偏振相关的延时元件，共同作用，累计引入合适的固定延时差。

所述SPR器件主要为各种可产生SPR效应的SPR结构系统，对待测物质进行检测。本发明涉及的检测方法适用于各种SPR器件结构，传统单层金属SPR结构、长程表面等离子共振(LRSPR)、耦合等离子波导共振(CPWR)、波导耦合表面等离子共振(WCSPR)等均可直接应用于上述测量系统当中。SPR器件中还包括将入射光束与反射光束耦合进出SPR结构的光学装置，以特定角度、将入射光以第一偏振控制器件产生的偏振态入射到SPR传感层上以激发相应的SPR效应。

所述检测设备的主要作用有：(i)测量不同偏振分量干涉后形成的频域光谱强度分布；(ii)优选较高的波长分辨率的设备，便于测量每个周期相位的微小变化从而提取出由于SPR效应带来的相位变化信息。

所述数据采集和处理单元的主要作用可以有：(i)将检测设备输出的光谱分布曲线进行采集；(ii)将检测到的光谱强度分布曲线进行计算，提取出消去了固定延时差的SPR相位响应。

上述频域SPR相位检测系统的检测方法如下：

首先，将所述宽谱光源输出的宽谱光依次通过调到与s光偏振方向呈45度线偏振态的第一偏振控制器件、双折射钒酸钇晶体、透光方向与第一偏振控制器件偏振方向相同的，即与s光偏振方向呈4 5度方向，的第二偏振控制器件，注有待测样品的SPR器件，以所述光谱仪检测接收，得到频域信号i_SPR(λ)；

上述步骤中，也可以将双折射晶体放置于SPR器件之后的光路上，即SPR器件与第二偏振控制器之间。

本例中将固定的入射角度的选择方法为：将第一偏振控制器、第二偏振控制器的透射角度调节到p偏振方向，将双折射晶体移出光路，先在宽谱光源中心波长附近的固定波长的光源入射下调节入射角度，找到对应待测溶液产生SPR响应的位置，本领域技术人员根据不同的入射波长和待测溶液，应当能够选择合适的入射角度。

图2中为ASE光源的频谱分别经两个偏振控制器件、双折射晶体和SPR器件后的形状。

图3中为不同样品条件下，由与图2类似的光谱强度曲线获得的频域相位曲线。各相邻样品的折射率变化差为1.2*10-4RIU，可以看到随着样品折射率的变化造成SPR共振波长变化后，明显的SPR相位曲线的移动。根据有关相位曲线的移动可以准确地获得SPR及被测样品的变化信息。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的表面等离子共振传感的相位测量方法及其测量系统的结构和技术方案，但非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种表面等离子共振的测量方法，包括以下步骤：

(1)将宽谱光经过能产生线性偏振态的第一偏振控制器起偏，使其具有介于s方向和p方向之间的偏振方向；

(2)将所述线偏振宽谱光以固定角度入射到待测SPR器件；

(3)所述宽谱光在通过所述SPR器件之前和/或之后通过偏振相关的延时器件，使得宽谱光中的s方向偏振的光和p方向偏振的光分量具有固定延时差，该延时差使步骤(4)中检测到的光谱在光谱测量设备的精度范围内产生多个光谱干涉条纹；

(4)对具有上述延时差的宽谱光在一个特定线偏振方向进行检偏，其检偏方向必须同时使线偏振光的s方向和p方向分量部分通过，之后进行光谱强度检测，并根据检测得到的一组频域干涉条纹，利用数据处理方法，得到SPR效应的频域相位信息，在获得所述频域相位信息的过程中，扫描部分的光源、检测结构、检测设备均固定不动。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤(1)中产生的线偏振宽谱光优选使s方向和p方向分量大小相同的45度线偏振光。

3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤(4)中的检偏方向优选45度偏振方向。

4.一种表面等离子共振的测量系统，包括宽谱光源、能够使宽谱光产生介于s方向和p方向之间的偏振方向的线性偏振态的第一偏振控制器、能够产生不同偏振光之间的固定延时差的偏振相关的延时器件、待测SPR器件、用于检偏的第二偏振控制器、用于检测经过SPR器件的光的光谱检测设备和用于处理所述检测设备检测结果的数据处理系统，所述延时器件设置于所述第一和第二偏振控制器之间的光路上，其对s方向和p方向分量的偏振相关的延时差的大小使经过第二偏振控制器的光的光谱在光谱测量设备的精度范围内产生多个光谱干涉条纹，测量过程中测量系统中的光源、检测结构、检测设备固定不动。

5.根据权利要求4所述的测量系统，其特征在于，所述宽谱光源为非相干或相干宽谱光源，包括白光源、受激自发辐射光源、超荧光二极管光源、超连续谱光源或锁模激光器。

6.根据权利要求4所述的测量系统，其特征在于，所述偏振控制器件包括偏振片或格兰棱镜。

7.根据权利要求4所述的测量系统，其特征在于，所述偏振相关的延时器件包括双折射晶体或保偏光纤。

8.根据权利要求4所述的测量系统，其特征在于，所述光谱检测设备为光谱强度检测设备，包括光谱仪、单色仪或光纤光栅解调仪。

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