CN113030028A - 一种利用spr相移干涉检测二维空间相位信息的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用SPR相移干涉检测二维空间相位信息的方法，氦氖激光器发射入射激光，入射激光到达第一偏振器，第一偏振器产生p‑偏振光和s‑偏振光，随后p‑偏振光和s‑偏振光进入液晶可变延迟器，液晶可变延迟器将p‑偏振光调整到快轴上，将s‑偏振光调整到慢轴上，p‑偏振光激发表面等离子体激元时,引入与角度和厚度相关的相移，而s‑偏振光不会激发表面等离子体激元，两者产生相位差，由此产生空间相移图案；本发明通过单光路来检测二维空间相位信息，效率高，并且本发明可用于生物检测，适用范围广。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用SPR相移干涉检测二维空间相位信息的方法，属于检测技术领域。
背景技术
表面等离子共振(Surface plasmon resonance,SPR)传感技术具有免标记、实时监测、样品消耗量少、高灵敏度和高通量检测的优点，在环境监测、食品安全、基因组学和蛋白质组学的研究等领域具有广泛的应用。表面等离子体激元是一种电磁表面波，它被限制在两种介电常数符号相反的材料(金属和电介质)的界面上。表面等离子体激元的特殊性质，如强大的局部电场、单个纳米级粒子的剧烈空间变化或对环境变化的高度敏感性，这些特性在片上光谱仪，等离激元矩形管，高效发光二极管和光伏，表面增强拉曼光谱，癌症治疗和无标记传感器等光学器件上广泛的运用。
通常来说，当前商用的SPR传感器是基于在角域或波长域中检测反射率倾角，其类似于Kretschmann的原始装置。然而，对于已经发现的反射光相对于入射光的相位变化可能比局部折射率变化的幅度更大，这为传感器技术的运用建立了强大的基础。通过测量靠近共振的相移，而不是反射振幅，可以额外获得两到三个数量级的灵敏度。
灵敏度提高是因为与反射率的相应变化相比，相位幅度的急剧变化更接近于共振角。更重要的是，基于相位检测的SPR传感器本质上更适合于SPR成像，并能够对数千个通道进行并行检测。
相位检测方案主要有以下几种，主要为光外差法、椭偏法和干涉法。
光外差检测是SPR传感器中最早采用的相位测量技术之一，利用光调制器(AOM)的SPR外差相位检测系统，采用相位锁定技术，通过振幅调制和调制来均衡参考光束和信号光束的振幅提取微分相位。
椭偏测量法是基于对反射光的p偏振光和s偏振光的测量，使用各种相位延迟器和偏振调制器(包括噪声滤波和信号处理)可以从产生的一系列干涉图中提取相位差，还可以实现高灵敏度的SPR相位成像。
Kabashin和Nikitin开创了基于Mach-Zehnder干涉仪结构的SPR相位测量干涉法的探索。该干涉法主要通过样品光路和参考光路一起形成干涉光路，来提取二维空间的相位信息。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种利用SPR相移干涉检测二维空间相位信息的方法。本发明通过单光路来检测二维空间相位信息，效率高，并且本发明可用于生物检测，适用范围广。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：一种利用SPR相移干涉检测二维空间相位信息的方法，氦氖激光器发射入射激光，入射激光到达第一偏振器，第一偏振器产生p-偏振光和s-偏振光，随后p-偏振光和s-偏振光进入液晶可变延迟器，液晶可变延迟器将p-偏振光调整到快轴上，将s-偏振光调整到慢轴上，p-偏振光激发表面等离子体激元时,引入与角度和厚度相关的相移，而s-偏振光不会激发表面等离子体激元，两者产生相位差，由此产生空间相移图案；空间相移图案通过扩束器进行扩展和准直后到达与其匹配的数字显微镜的微镜阵列，经过微镜阵列的相移图案被棱镜折射后到达第二偏振器，第二偏振器将p-偏振光或s-偏振光以选择对应的采样或参考干涉图案，p-偏振光或s-偏振光最后进入CCD中，CCD捕获与相移相关联的干涉图案并显示为数字图像；使用基于二维傅里叶变换和确定域空间频率的算法从干涉图案中得到水平和垂直方向上的域空间频率，进而获得相移，最终通过相移得到二维空间相位信息。
上述的一种利用SPR相移干涉检测二维空间相位信息的方法中，所述液晶可变延迟器内部的控制器的快轴与水平方向呈45°，对通过的p-偏振光和s-偏振光进行快速切换。
前述的一种利用SPR相移干涉检测二维空间相位信息的方法中，所述液晶可变延迟器的控制器调制为固定值或为周期T为100ms且延迟范围为±％/4的正弦函数。
前述的一种利用SPR相移干涉检测二维空间相位信息的方法中，所述氦氖激光器的光源波长为632.8nm。
前述的一种利用SPR相移干涉检测二维空间相位信息的方法中，所述微镜阵列包括基座，基座上设有608×684个45°倾斜设置的方形铝镜，底部长度为7.64μm；所述方形铝镜与基座铰接。
前述的一种利用SPR相移干涉检测二维空间相位信息的方法中，所述方形铝镜转动范围内与基座的夹角为-12°至+12°。
与现有技术相比，本发明氦氖激光器发射入射激光，入射激光到达第一偏振器，第一偏振器产生p-偏振光和s-偏振光，随后p-偏振光和s-偏振光进入液晶可变延迟器，液晶可变延迟器将p-偏振光调整到快轴上，将s-偏振光调整到慢轴上，p-偏振光激发表面等离子体激元时,引入与角度和厚度相关的相移，而s-偏振光不会激发表面等离子体激元，两者产生相位差，由此产生空间相移图案；空间相移图案通过扩束器进行扩展和准直后到达与其匹配的数字显微镜的微镜阵列，经过微镜阵列的相移图案被棱镜折射后到达第二偏振器，第二偏振器将p-偏振光或s-偏振光以选择对应的采样或参考干涉图案，p-偏振光或s-偏振光最后进入CCD中，CCD捕获与相移相关联的干涉图案并显示为数字图像；使用基于二维傅里叶变换和确定域空间频率的算法从干涉图案中得到水平和垂直方向上的域空间频率，进而获得相移，最终通过相移得到二维空间相位信息；本发明只使用单光路来进行检测，相比常用的样品光路与参考光路两个光路一起合成干涉光路来检测二维空间相位信息的方法，操作简便，效率高，并且本发明检测无需标记，可用于非标记性的生物检测装置，使用范围广。
附图说明
图1是本发明的干涉图案获取的流程示意图；
图2是本发明微镜阵列的结构示意图；
图3是p-偏振光的干涉图案；
图4是s-偏振光的干涉图案。
附图标记
1、氦氖激光器；2、第一偏振器；3、液晶可变延迟器；4、快轴；5、慢轴；6、扩束器；7、微镜阵列；8、棱镜；9、CCD；10、基座；11、方形铝镜；12、第二偏振器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例：一种利用SPR相移干涉检测二维空间相位信息的方法，如附图1所示，波长632.8nm的氦氖激光器1发射入射激光，入射激光到达第一偏振器2，第一偏振器产生p-偏振光和s-偏振光，例如相对于Kretschmann配置的p-偏振光、s-偏振光或具有平衡振幅(1:1)的p-偏振光和s-偏振光，随后p-偏振光和s-偏振光到达液晶可变延迟器3，液晶可变延迟器为Meadowlark
Swift液晶可变延迟器，内部有控制器进行调制，控制器为
3100，调制可以设置为固定值，也可以设置为周期T为100ms且延迟范围为±％/4的正弦函数，控制器的快轴4与水平方向成45°，使得通过的偏振光在p-偏振光和s-偏振光之间快速切换，或创建包含两个偏振分量的圆形偏振光，由于液晶可变延迟器相对设置的45°方向，p-偏振光在快轴上，而s-偏振光落在慢轴5上，p-偏振光激发表面等离子体激元时,引入与角度和厚度相关的相移，而s-偏振光不会激发表面等离子体激元，两者产生相位差，由此产生空间相移图案；空间相移图案通过扩束器6进行扩展和准直后到达与其匹配的数字显微镜的微镜阵列7，经过微镜阵列的相移图案被棱镜8折射后到达第二偏振器12，第二偏振器将p-偏振光或s-偏振光区分以选择对应的采样或参考干涉图案，如附图3和附图4所示，p-偏振光或s-偏振光最后进入CCD9中，捕获与相移相关联的不同干涉图案并显示为数字图像；使用基于二维傅里叶变换和确定域空间频率的算法从干涉图案中得到水平和垂直方向上的域空间频率，进而获得相移，最终通过相移得到二维空间相位信息，也可以使用限制和处理入射平行光的空间位置的功能，沿金属和介质的整个界面映射提取相位信息，通过使用可寻址MMA实现，对于简单的点测量和MMA结果的校准和验证，可以用针孔(0.10μm)代替MMA装置；如附图2所示，微镜阵列是德州仪器公司的
3000，包括基座10，基座上设有608×684个方形铝镜11，底部长度为7.64μm，但角度旋转45°，方形铝镜与基座铰接，可在-12°和+12°这两个离散的角度位置之间切换。当方形铝镜处于非活动状态时，相对于0°平面基准测量角度位置，平行于阵列平面，其倾斜方向与铰链轴垂直，打开状态的位置指向包裹的左侧，开关时间通常为16μs。
Claims (6)
1.一种利用SPR相移干涉检测二维空间相位信息的方法，其特征在于：氦氖激光器发射入射激光，入射激光到达第一偏振器，第一偏振器产生p-偏振光和s-偏振光，随后p-偏振光和s-偏振光进入液晶可变延迟器，液晶可变延迟器将p-偏振光调整到快轴上，将s-偏振光调整到慢轴上，p-偏振光激发表面等离子体激元时,引入与角度和厚度相关的相移，而s-偏振光不会激发表面等离子体激元，两者产生相位差，由此产生空间相移图案；空间相移图案通过扩束器进行扩展和准直后到达与其匹配的数字显微镜的微镜阵列，经过微镜阵列的相移图案被棱镜折射后到达第二偏振器，第二偏振器将p-偏振光或s-偏振光区分以选择对应的采样或参考干涉图案，p-偏振光或s-偏振光最后进入CCD中，CCD捕获与相移相关联的干涉图案并显示为数字图像；使用基于二维傅里叶变换和确定域空间频率的算法从干涉图案中得到水平和垂直方向上的域空间频率，进而获得相移，最终通过相移得到二维空间相位信息。
2.根据权利要求1所述的一种利用SPR相移干涉检测二维空间相位信息的方法，其特征在于：所述液晶可变延迟器内部的控制器的快轴与水平方向呈45°，用于对p-偏振光和s-偏振光的快速切换。
3.根据权利要求1所述的一种利用SPR相移干涉检测二维空间相位信息的方法，其特征在于：所述液晶可变延迟器内部的控制器调制为周期T为100ms且延迟范围为±％/4的正弦函数。
4.根据权利要求1所述的一种利用SPR相移干涉检测二维空间相位信息的方法，其特征在于：所述氦氖激光器的光源波长为632.8nm。
5.根据权利要求1所述的一种利用SPR相移干涉检测二维空间相位信息的方法，其特征在于：所述微镜阵列包括基座，基座上设有608×684个45°倾斜设置的方形铝镜，底部长度为7.64μm；所述方形铝镜与基座铰接。
6.根据权利要求5所述的一种利用SPR相移干涉检测二维空间相位信息的方法，其特征在于：所述方形铝镜转动范围内与基座的夹角为-12°至+12°。
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