專利名稱：相位調(diào)制偏振型表面等離子體波傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種相位調(diào)制偏振型表面等離子體波傳感器，屬工業(yè)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
SPR傳感器的機(jī)理是P波共振激光表面等離子體波，其反射系數(shù) 對(duì)靠近激發(fā)表面介質(zhì)的折射率非常敏感。通過(guò)對(duì)反射光特性的測(cè)量可以確定折射率的變化。反射系數(shù) 是復(fù)數(shù)，這表示不僅振幅發(fā)生變化，而且反射的相位發(fā)生躍變。S波不能激發(fā)表面等離子體波，在感興趣的范圍內(nèi)，S波的反射率近似為1，相位近似為常數(shù)。通常的SPR傳感器入射波僅含P波，僅利用P波反射系數(shù)的振幅特性，可以稱為振幅型SPR傳感器。1994年，本申請(qǐng)人提出，在入射波中加進(jìn)S波，利用P波和S波的干涉，這樣就同時(shí)利用了P波反射系數(shù)的振幅和相位特性，這種SPR傳感器可以提供更好的分辨率。從1999年開(kāi)始，這種干涉型傳感器陸續(xù)在國(guó)外有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)都證明了這種傳感器比振幅型好。后來(lái)又將這種傳感器進(jìn)行了發(fā)展，加進(jìn)了調(diào)制技術(shù)和弱信號(hào)控測(cè)技術(shù)，使分辨率再一次得到提高，折射率分辨率可達(dá)1×10-7。并申請(qǐng)了專利，申請(qǐng)?zhí)枮?8124488.2，該技術(shù)的缺點(diǎn)是，工作點(diǎn)直流光強(qiáng)背景在理論上不為零，(如果為零，靈敏度也為零)。由于白噪聲正比于直流光強(qiáng)的開(kāi)方，因而噪聲還比較大。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的相位調(diào)制偏振型表面等離子體波傳感器，包括激光器、起偏器、傳感部件、1/4波片、檢偏器、光電轉(zhuǎn)換器、鎖相放大器、計(jì)算機(jī)和信號(hào)發(fā)生器以及磁光調(diào)制器；由激光器產(chǎn)生的激光經(jīng)起偏器后變成線偏振光，該線偏振光入射到傳感部件中的光反射面，反射后的出射光經(jīng)1/4波片后成為左旋和右旋園偏振光，園偏振光經(jīng)檢偏器變成線偏振光，旋轉(zhuǎn)檢偏器的檢偏面，以進(jìn)行相位補(bǔ)償，該線偏振光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)，該電信號(hào)經(jīng)鎖相放大器后輸入計(jì)算機(jī)，顯示測(cè)量結(jié)果，信號(hào)發(fā)生器發(fā)出信號(hào)給磁光調(diào)制器，磁光調(diào)制器對(duì)P波和S波的相位差進(jìn)行調(diào)制，同時(shí)輸入鎖相放大器，對(duì)光電轉(zhuǎn)換信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的相位調(diào)制偏振型表面等離子體波傳感器的另一種結(jié)構(gòu)，包括激光器、起偏器、電光調(diào)制器、傳感部件、可調(diào)相位補(bǔ)償器、檢偏器、光電轉(zhuǎn)換器、鎖相放大器、計(jì)算機(jī)和信號(hào)發(fā)生器；由激光器產(chǎn)生的激光經(jīng)起偏器后變成線偏振光，該線偏振光入射到傳感部件中的光反射面，反射后的出射光經(jīng)可調(diào)相位補(bǔ)償器進(jìn)行相位補(bǔ)償后，再經(jīng)檢偏器變成線偏振光，該線偏振光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)，該電信號(hào)經(jīng)鎖相放大器后輸入計(jì)算機(jī)，顯示測(cè)量結(jié)果，信號(hào)發(fā)生器發(fā)出信號(hào)給電光調(diào)制器，電光調(diào)制器對(duì)P波和S波的相位差進(jìn)行調(diào)制，同時(shí)輸入鎖相放大器，對(duì)光電轉(zhuǎn)換信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。
利用本發(fā)明設(shè)計(jì)的相位調(diào)制偏振型表面等離子體波傳感器，通過(guò)調(diào)整光學(xué)元件，使其在工作點(diǎn)處直流光強(qiáng)背景在理論上為零，并且通過(guò)調(diào)制，進(jìn)一步提高傳感器的分辨率。
圖2和圖3是本發(fā)明設(shè)計(jì)的相位調(diào)制偏振型表面等離子體波傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。


圖1-圖3中，1是激光器，2是起偏器，3是磁光調(diào)制器，4是表面等離子體波激發(fā)裝置即傳感部件，5是1/4波片，6是檢偏器，7是光電轉(zhuǎn)換器，8是信號(hào)發(fā)生器，9是鎖相放大器，10是A/D轉(zhuǎn)換器，11是計(jì)算機(jī)，12是電光調(diào)制器，13是可調(diào)相位補(bǔ)償器。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的相位調(diào)制偏振型表面等離子體波傳感器的另一種結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括激光器1、起偏器2、電光調(diào)制器12、傳感部件4、可調(diào)相位補(bǔ)償器13、檢偏器6、光電轉(zhuǎn)換器7、鎖相放大器9、計(jì)算機(jī)11和信號(hào)發(fā)生器8。由激光器1產(chǎn)生的激光經(jīng)起偏器2后變成線偏振光，該線偏振光入射到傳感部件4中的光反射面，反射后的出射光經(jīng)可調(diào)相位補(bǔ)償器13進(jìn)行相位補(bǔ)償后，再經(jīng)檢偏器6變成線偏振光，該線偏振光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器7轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)，該電信號(hào)經(jīng)鎖相放大器9后輸入計(jì)算機(jī)，顯示測(cè)量結(jié)果。信號(hào)發(fā)生器8發(fā)出信號(hào)給電光調(diào)制器12，電光調(diào)制器對(duì)P波和S波的相位差進(jìn)行調(diào)制，同時(shí)輸入鎖相放大器9，對(duì)光電轉(zhuǎn)換信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。
如圖2所示的傳感器的工作原理如下激光器發(fā)出的光經(jīng)擴(kuò)光束系統(tǒng)成寬光平行光束，經(jīng)起偏器13變成線偏振光，入射光即含P波Ep又含S波Es。令起偏方向和P波夾角為α，則Ep、Es和α有關(guān)系Es/Ep＝tgαP波激發(fā)表面為離子體波，其反射系數(shù)為 ， 是待測(cè)折射率函數(shù)。S波不能激發(fā)表面等離子體波，反射系數(shù)為 。令 其中rs約為1，s近似為一個(gè)常數(shù)。光通過(guò)與P波成45°的1/4波片后，P波和S波分別變成左旋和右旋圓偏振光。磁光調(diào)制器對(duì)圓偏振光加一調(diào)制信號(hào)MsinΩt，其中M為相位調(diào)制振幅。Ω為調(diào)制頻率。經(jīng)檢偏器6變成同一方向線偏振光，產(chǎn)生干涉。設(shè)檢偏器檢偏方向和P波的夾角為θ，則光電接收器7接收的光強(qiáng)信號(hào)為 上式雖然復(fù)雜，但物理意義簡(jiǎn)單，在θ＝0 M＝0的情況，上式相當(dāng)于Es波和 兩個(gè)波的干涉，令p＝p0+Δp其中p0為選擇的工作點(diǎn)。在不加調(diào)制時(shí)，在工作點(diǎn)光強(qiáng)為零的條件為 這樣可以通過(guò)調(diào)節(jié)起偏器2，使tgα＝rp使4.1式得到滿足。通過(guò)調(diào)檢偏器6使4.2式得到滿足。實(shí)現(xiàn)在工作點(diǎn)沒(méi)有調(diào)制時(shí)直流光強(qiáng)在理論上為零。
當(dāng)4.1式和4.2式都得到滿足時(shí)，I＝2rpEsEp[1-cos(Δp+MsinΩt)](5)由于M和Δp都是微小量，將(5)式用臺(tái)勞公式展開(kāi)得I＝rpEsEp[Δp2+M2sin2Ωt] (6)+2rpEsEpΔpMsinΩt(6)式的第一項(xiàng)含有直流背景，但它是一個(gè)二階小量，比前一個(gè)專利所給的方案小得多。第二項(xiàng)為頻率為Ω的的信號(hào)，它正比于Δp和M。用鎖定放大器可以將Δp檢測(cè)出來(lái)。折射率控測(cè)分辨率 同已有技術(shù)比較，此方案調(diào)試也比較方便。
圖2所示的光學(xué)系統(tǒng)即為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。其中激光器選He-Ne激光器，功率1.5-3mw即可，單橫模。起偏器檢偏器用吸收片偏振器就可以。磁光調(diào)制器用普通法拉弟調(diào)制器或我們?cè)O(shè)計(jì)的開(kāi)放式磁光調(diào)制器都可以。光電按收器用PIN管即可。信號(hào)發(fā)生器及鎖定放大器，計(jì)算機(jī)都有產(chǎn)品。
圖3給出另外一種結(jié)構(gòu)。在圖3的方案中，用電光調(diào)制器代替了磁光調(diào)制器。值得注意得是電光調(diào)制器是對(duì)線偏振光調(diào)制，所以應(yīng)在P波和S波是線偏振時(shí)調(diào)制。
本發(fā)明表面等離子體波激發(fā)裝置中，金膜厚度雖然在很寬的范圍內(nèi)都可以滿足工作點(diǎn)處直流光強(qiáng)背景為零，但建議金膜厚度取40-45nm比較合適。
在共振激發(fā)表面等離子體波SPR譜的任意處，雖都可以選作工作點(diǎn)，使直流光強(qiáng)在理論上為零。但建議工作點(diǎn)選在rpmin處，或盡可能靠近。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的傳感器的調(diào)試方法如下(針對(duì)圖2)1、轉(zhuǎn)動(dòng)起偏器，使α＝0，此時(shí)儀器相當(dāng)于振幅型SPR傳感器，改變?nèi)肷浣?，找到rpmin的位置并記下大小。
2、轉(zhuǎn)動(dòng)起偏器使tgα=rpmin]]>3、不加調(diào)制信號(hào)，轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器6找到直流光強(qiáng)最小的位置。
4、微調(diào)起偏器。進(jìn)一步找到直流光強(qiáng)最小的位置。這時(shí)直流的大小在理論上應(yīng)為零。實(shí)際上可以達(dá)到入射光強(qiáng)的1×10-3以下。
5、加調(diào)制，開(kāi)始工作。
用其它方法進(jìn)行相位補(bǔ)償也滿足工作點(diǎn)直流光強(qiáng)在理論上為零，不影響本方案實(shí)施。用其它方法對(duì)P波和S波的相位差進(jìn)行調(diào)制不影響本方案的實(shí)施。
權(quán)利要求
1.一種相位調(diào)制偏振型表面等離子體波傳感器，其特征在于該傳感器包括激光器、起偏器、傳感部件、1/4波片、檢偏器、光電轉(zhuǎn)換器、鎖相放大器、計(jì)算機(jī)和信號(hào)發(fā)生器以及磁光調(diào)制器；由激光器產(chǎn)生的激光經(jīng)起偏器后變成線偏振光，該線偏振光入射到傳感部件中的光反射面，反射后的出射光經(jīng)1/4波片后成為左旋和右旋園偏振光，園偏振光經(jīng)檢偏器變成線偏振光，旋轉(zhuǎn)檢偏器的檢偏面，以進(jìn)行相位補(bǔ)償，該線偏振光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)，該電信號(hào)經(jīng)鎖相放大器后輸入計(jì)算機(jī)，顯示測(cè)量結(jié)果，信號(hào)發(fā)生器發(fā)出信號(hào)給磁光調(diào)制器，磁光調(diào)制器對(duì)P波和S波的相位差進(jìn)行調(diào)制，同時(shí)輸入鎖相放大器，對(duì)光電轉(zhuǎn)換信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。
2.一種相位調(diào)制偏振型表面等離子體波傳感器，其特征在于該傳感器包括激光器、起偏器、電光調(diào)制器、傳感部件、可調(diào)相位補(bǔ)償器、檢偏器、光電轉(zhuǎn)換器、鎖相放大器、計(jì)算機(jī)和信號(hào)發(fā)生器；由激光器產(chǎn)生的激光經(jīng)起偏器后變成線偏振光，該線偏振光入射到傳感部件中的光反射面，反射后的出射光經(jīng)可調(diào)相位補(bǔ)償器進(jìn)行相位補(bǔ)償后，再經(jīng)檢偏器變成線偏振光，該線偏振光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)，該電信號(hào)經(jīng)鎖相放大器后輸入計(jì)算機(jī)，顯示測(cè)量結(jié)果，信號(hào)發(fā)生器發(fā)出信號(hào)給電光調(diào)制器，電光調(diào)制器對(duì)P波和S波的相位差進(jìn)行調(diào)制，同時(shí)輸入鎖相放大器，對(duì)光電轉(zhuǎn)換信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種相位調(diào)制偏振型表面等離子體波傳感器,由激光器產(chǎn)生的激光經(jīng)起偏器后變成線偏振光,該線偏振光入射到傳感部件中的光反射面,反射后的出射光經(jīng)1/4波片后成為左旋和右旋圓偏振光,圓偏振光經(jīng)檢偏器變成線偏振光,該線偏振光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成為電信號(hào),該電信號(hào)經(jīng)鎖相放大器后輸入計(jì)算機(jī),顯示測(cè)量結(jié)果,信號(hào)發(fā)生器發(fā)出信號(hào)給相位調(diào)制器,相位調(diào)制器對(duì)P波和S波的相位差進(jìn)行調(diào)制,同時(shí)輸入鎖相放大器,對(duì)光電轉(zhuǎn)換信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。利用本發(fā)明設(shè)計(jì)的相位調(diào)制偏振型表面等離子體波傳感器,通過(guò)調(diào)整光學(xué)元件,使其在工作點(diǎn)處直流光強(qiáng)背景在理論上為零,并且通過(guò)調(diào)制,進(jìn)一步提高傳感器的分辨率。
文檔編號(hào)G01N21/27GK1342894SQ01136668
公開(kāi)日2002年4月3日 申請(qǐng)日期2001年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月26日
發(fā)明者郭繼華, 孫家林, 卓文江 申請(qǐng)人:清華大學(xué)