專利名稱：使偏振表面等離子體傳感器反射譜最低點為零的調(diào)試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使偏振表面等離子體傳感器反射譜最低點為零的調(diào)試方法，屬工業(yè)測量技術(shù)領(lǐng)域。
SPR傳感器可以分振幅型和偏振型兩種，振幅型工作原理僅利用反射光的振幅特性，偏振型則同時利用反射光的振幅和相位特性，利用了干涉技術(shù)。已報導(dǎo)的文獻(xiàn)表明，偏振型SPR傳感器比振幅型SPR傳感器可以給出更高的測量分辨率。但是已有的文獻(xiàn)中(不論我們的和他人的)都沒有給出一個合理的調(diào)試方法和設(shè)計中應(yīng)注意的關(guān)鍵問題。而且偏振型SPR傳感器的調(diào)試非常重要。如果不知道如何調(diào)試，即使系統(tǒng)非常好，也得不到好的實驗結(jié)果。已報導(dǎo)的文獻(xiàn)中就有上述情況。
本發(fā)明提出的使偏振表面等離子體傳感器反射譜最低點為零的調(diào)試方法，其中的傳感器的光路為激光經(jīng)起偏器后變成線偏振光，該線偏振光中含有P波和S波，線偏振光入射到傳感器的光反射面后，出射成為橢圓偏振光，經(jīng)相位補(bǔ)償器和檢偏器后，成為線偏振光，該光信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器后轉(zhuǎn)換成電信號，上述的傳感器的調(diào)制方法包括以下步驟(1)將檢偏器放在檢偏45°的方向；(2)將起偏器放在起偏角α＝0的位置，此時S波的電場為零，傳感器相當(dāng)于振幅型傳感器；(3)設(shè)初始待測介質(zhì)的折射率為n1，記錄振幅型等離子體波譜的最小值Rmin以及與此最小值相對應(yīng)的光入射角θSPR；(4)調(diào)節(jié)傳感器旋轉(zhuǎn)平臺，使光電接收器輸出的光電信號極小，此時光入射角為θSPR；
(5)旋轉(zhuǎn)起偏器，盡量滿足tgα=Rmin;]]>(6)調(diào)節(jié)相位補(bǔ)償器，使光電接收器的輸出信號極小；(7)調(diào)節(jié)起偏器，使光電接收器輸出信號極小。
上述傳感器的光路還可以為激光經(jīng)起偏器后變成線偏振光，該線偏振光中含有P波和S波，線偏振光入射到傳感器的光反射面后，出射成為橢圓偏振光，經(jīng)1/4波片后，P波和S波分別為圓偏振光，經(jīng)檢偏器后成為線偏振光，該光信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器后轉(zhuǎn)換成電信號，上述傳感器的調(diào)制方法包括以下步驟(1)將1/4波片放在45°的方向；(2)將起偏器放在起偏角α＝0的位置，此時S波的電場為零；(3)設(shè)初始待測介質(zhì)的折射率為n1，記錄振幅型等離子體波譜的最小值Rmin以及與此最小值相對應(yīng)的光入射角θSPR；(4)調(diào)節(jié)傳感器旋轉(zhuǎn)平臺，使光電接收器輸出的光電信號極小，此時光入射角為θSPR；(5)旋轉(zhuǎn)起偏器，盡量滿足tgα=Rmin;]]>(6)調(diào)節(jié)檢偏器，使光電接收器的輸出信號極小；(7)調(diào)節(jié)起偏器，使光電接收器輸出信號極小。
通過上面所給的調(diào)節(jié)方法，可以達(dá)到在折射率為n1時，得到的SPR譜最小值在理論上為零，實際能達(dá)到的最小值通常低于0.1％。在折射率變化時，振幅型SPR譜的最小值為rmin(n)。對偏振型SPR傳感器，即使不能保證理論上為零，理論分析的最小值為[rmin(n)-rmin(n1)]2，對某些情況的具體計算表明[rmin(n)-rmin(n1)]2小于0.1％。
本發(fā)明的優(yōu)點是在激發(fā)表面等離子體波的條件下，不論傳感器的光反射面上的金膜厚度的大小，都可以通過調(diào)節(jié)光學(xué)系統(tǒng)，使SPR譜的最小值為零，并且在待測介質(zhì)折射率在初始條件附近變化時，仍能保證SPR譜的最小值接近零，從而有效地提高了傳感器的分辨率。
在理論上，振幅型SPR傳感器得到的SPR譜最低點的值可以為零，這只要嚴(yán)格控制金膜厚度即可。但實際上這是不可能的。通常能將SPR譜的最小值控制在3％已經(jīng)很好了。
偏振型SPR傳感器則不同，不論金膜厚度合適與否，只要可以激發(fā)表面等離子體波，通過調(diào)節(jié)光學(xué)系統(tǒng)，就可以使得到的SPR譜最低點的值為零。我們實驗最低值為3.3×10-4，比通常低兩個數(shù)量級。以上的分析表明對SPR傳感器，提高分辨率的關(guān)鍵是得到SPR譜的最低值盡可能的小。
在具體測量中，當(dāng)折射率為n1時，如得到的SPR譜最低值非常小，由此可得到θSPR的不確定度非常好。如果在折射率為n2時，得到的SPR譜最低值變大，這樣當(dāng)折射率為n2時得到的θSPR不確定度就不好，最后得到的折射率變化也就不可能很準(zhǔn)確。因此要在一個測量范圍內(nèi)得到好的測量分辨率，必須在這個范圍內(nèi)得到所有SPR譜的最低值都非常小。
偏振型SPR傳感器分角度掃描和波長掃描兩類，每一類又可用機(jī)械掃描方法不同時間得到SPR譜和用CCD接收方法同時得到SPR譜兩種，另外在干涉型SPR傳感器中，總有一個相位補(bǔ)償和檢偏系統(tǒng)，這個系統(tǒng)可以用一個可調(diào)相位補(bǔ)償器和一個檢偏器組成，也可以用一個λ/4波片和一個檢偏器組成。這樣裝置的具體結(jié)構(gòu)形式至少有八種。雖然并非這八種都有文獻(xiàn)報導(dǎo)，但本發(fā)明也無意對其他裝置提出權(quán)利要求。本發(fā)明僅給出機(jī)械角度掃描兩種具體結(jié)構(gòu)，說明其設(shè)計中的關(guān)鍵問題和調(diào)試方法。這些對其他各種具體結(jié)構(gòu)同樣適用。
用本發(fā)明的方法調(diào)試的機(jī)械角度掃描干涉型SPR傳感器的兩種不同結(jié)構(gòu)見

圖1和圖2。從裝置圖上不難看出，同振幅型SPR傳感器比較，偏振型傳感器僅增加了相位補(bǔ)償和檢偏系統(tǒng)，所以任何一種振幅型SPR傳感器都可以非常方便地改造為偏振SPR型傳感器。圖1所示的系統(tǒng)理論分析比較簡單，圖2的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡單，更實用。圖中有-θ-2θ精密轉(zhuǎn)臺，未畫出。作用是激發(fā)裝置旋轉(zhuǎn)角度θ，接收系統(tǒng)轉(zhuǎn)2θ。
起偏器2使入射光為線偏振光，同振幅型傳感器不同，這里入射光即含P波又含S波，設(shè)起偏方向同P波方向夾角為α，則入射波 通過旋轉(zhuǎn)起偏器2可以改變α的值，從而達(dá)到改變?nèi)肷涔釫s和Ep的比例。設(shè)系統(tǒng)對P波和S波的反射系數(shù)分別 rs實際約為1，令 ρ＝rp/rs＝rpφρ＝φp-φs補(bǔ)償器的快軸放置在P方向，令補(bǔ)償相位為Δ，檢偏器5的檢偏方向同P波夾角為45°，最后光電接收器得到的光強(qiáng)為 (5)式的物理意義很清楚，在沒有相位補(bǔ)償時得到的光強(qiáng)相當(dāng)于 和 兩個波干涉。(5)式可以寫成下面形式 從(6)式可以得到I為零的條件
不論 為何值時，都可以通過調(diào)節(jié)起偏器使7.1式得到滿足，調(diào)節(jié)相位補(bǔ)償器使7.2式得到滿足。
為任何值包括了兩重意義首先不論金膜鍍得合適與否，都可以通過調(diào)節(jié)光學(xué)系統(tǒng)使用偏振法得到的SPR譜最低值為零。另一重意義是在原振幅SPR譜的任意處都可以調(diào)節(jié)光學(xué)系統(tǒng)使用偏振法得到的SPR譜最低值為零。
對圖2所示的系統(tǒng)，1/4波片的快抽方向同P波成45°角，檢偏器同P波成Δ角，得到的結(jié)果為 I為零的條件為 結(jié)論定性是一樣的。對任意的 ，通過調(diào)節(jié)起偏器2使9.1式得到滿足，調(diào)節(jié)檢偏器5使9.2式得到滿足。由于1/4波片比寬光束可調(diào)相位補(bǔ)償器便宜得多，所以圖2所示的系統(tǒng)更實用。得到(8)要用矩陣光學(xué)的知識，這里從略。
現(xiàn)在考慮要得到好的分辨率的第二個條件在測量折射率的范圍內(nèi)，所有的SPR譜最低值都為零。首先我們指出，不可能對每一個折射率變化都調(diào)節(jié)一次光學(xué)系統(tǒng)，麻煩是小事，這里說的不可能是理論上不允許。前面分析了 為任意值的兩重義。當(dāng)n不變時，可以通過調(diào)節(jié)光學(xué)系統(tǒng)得到多個使SPR譜最低值為零的θSPR。這樣的調(diào)節(jié)將使測量變得毫無意義。因此，在一次儀器調(diào)節(jié)好后，不再調(diào)節(jié)光學(xué)系統(tǒng)，在待測折射率變化范圍內(nèi)用偏振型SPR傳感器得到所有SPR譜最低點為零的條件是什么？理論分析表明實現(xiàn)上述要求的充分且必要條件是；在所測折射率變化范圍內(nèi)，對不同的n在復(fù)平面作 的軌跡，所有的軌跡都交于一點，且此點選作初始調(diào)節(jié)的SPR譜的零點。這樣一個充分必要條件看來非?？量?，實際計算表明在測量范圍不太大(0.04)的情況下，上述條件基本滿足，且交點基本在rp的最小值處。這一發(fā)現(xiàn)為調(diào)試提供了理論根據(jù)。
偏振型SPR傳感器金膜厚度選擇原則為
d＜dc(10)dc為臨界金度膜厚度，也就是理論上振幅型SPR譜最低點為零時所對應(yīng)的金膜厚度。在工藝保證(10)式的條件下，盡可能接近dc。
權(quán)利要求
1.一種使偏振表面等離子體傳感器反射譜最低點為零的調(diào)試方法，所述的傳感器的光路為激光經(jīng)起偏器后變成線偏振光，該線偏振光中含有P波和S波，線偏振光入射到傳感器的光反射面后，出射成為橢圓偏振光，經(jīng)相位補(bǔ)償器和檢偏器后，成為線偏振光，該光信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器后轉(zhuǎn)換成電信號，其特征在于所述的傳感器的調(diào)制方法包括以下步驟(1)將檢偏器放在檢偏45°的方向；(2)將起偏器放在起偏角α＝0的位置，此時S波的電場為零，傳感器相當(dāng)于振幅型傳感器；(3)設(shè)初始待測介質(zhì)的折射率為n1，記錄振幅型等離子體波譜的最小值Rmin以及與此最小值相對應(yīng)的光入射角θSPR；(4)調(diào)節(jié)傳感器旋轉(zhuǎn)平臺，使光電接收器輸出的光電信號極小，此時光入射角為θSPR；(5)旋轉(zhuǎn)起偏器，盡量滿足tgα=Rmin]]>(6)調(diào)節(jié)相位補(bǔ)償器，使光電接收器的輸出信號極??；(7)調(diào)節(jié)起偏器，使光電接收器輸出信號極小。
2.一種使偏振表面等離子體傳感器反射譜最低點為零的調(diào)試方法，所述的傳感器的光路為激光經(jīng)起偏器后變成線偏振光，該線偏振光中含有P波和S波，線偏振光入射到傳感器的光反射面后，出射成為橢圓偏振光，經(jīng)1/4波片后，P波和S波分別為圓偏振光，經(jīng)檢偏器后成為線偏振光，該光信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器后轉(zhuǎn)換成電信號，其特征在于所述的傳感器的調(diào)制方法包括以下步驟(1)1/4波片放在45°的方向；(2)將起偏器放在起偏角α＝0的位置，此時S波的電場為零，傳感器相當(dāng)于振幅型傳感器；(3)設(shè)初始待測介質(zhì)的折射率為n1，記錄振幅型等離子體波譜的最小值Rmin以及與此最小值相對應(yīng)的光入射角θSPR；(4)感器旋轉(zhuǎn)平臺，使光電接收器輸出的光電信號極小，此時光入射角為θSPR；(5)轉(zhuǎn)起偏器，盡量滿足tgα=Rmin]]>(6)調(diào)節(jié)檢偏器，使光電接收器的輸出信號極??；(7)調(diào)節(jié)起偏器，使光電接收器輸出信號極小。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種使偏振表面等離子體傳感器反射譜最低點為零的調(diào)試方法,首先將傳感器中的檢偏器放在檢偏45°的方向,將起偏器放在起偏角α=0的位置,此時S波的電場為零,設(shè)初始待測介質(zhì)的折射率為n
文檔編號G01D5/26GK1342884SQ0113666
公開日2002年4月3日 申請日期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, 韋巍 申請人:清華大學(xué)