專利名稱：基于導模激發(fā)古斯?jié)h欣位移增強效應的溶液濃度測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種計量技術(shù)領(lǐng)域的方法。特別是一種基于導模激發(fā)古斯?jié)h欣位移增強效應的溶液濃度測量方法。
背景技術(shù)：
光波導傳感器在溶液濃度測量方面的應用出現(xiàn)在八十年代。通過表面等離子(SPR)探測技術(shù)、光波導振蕩場探測技術(shù)等方法，可以對折射率的微小變化進行高靈敏度的檢測。這就使得對液體濃度等特性的檢測可以轉(zhuǎn)化為對其折射率的監(jiān)測，并進而可以將折射率的微小變化轉(zhuǎn)化為光電探測器探測到的光強信號的變化，從而得到待測液體濃度的變化。但在實際應用中，普遍存在著探測靈敏度不夠高、對于探測光信號的偏振特性要求高等問題，已經(jīng)成為限制其發(fā)展的障礙。
最近，理論和實驗都發(fā)現(xiàn)，在SPR結(jié)構(gòu)中，金屬膜下層樣品的環(huán)境參數(shù)(溫度，濃度等)的變化引起的反射光相位的變化比反射光強的變化更敏感。根據(jù)這個原理，可以極大的改善傳統(tǒng)的基于光強測量的光波導傳感器的性能。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，Xb.Yin等人在《Applied physics letters》《應用物理快報》Vol.89 261108(2006)上發(fā)表的“Goos-Hnchen shift surfaceplasmon resonance sensor”(古斯?jié)h欣位移表面等離子波傳感器)一文中，首次提出利用古斯?jié)h欣效應提高表面等離子波傳感器的靈敏度。這種方法將液體濃度的變化轉(zhuǎn)化為折射率的變化，進而反射光相位產(chǎn)生變化，并轉(zhuǎn)化為SPR結(jié)構(gòu)中增強的古斯?jié)h欣位移的變化，通過檢測濃度變化所引起的側(cè)向位移的變化來確定樣品折射率的變化。這種新型的傳感器能達到很高的靈敏度(4×10-7)，但是，它不能擺脫SPR消逝場固有的缺點，即，在這種結(jié)構(gòu)中，樣本被放置在光波的迅衰場中，導致光波的能量迅速衰減，光波與待測樣本的相互作用非常有限，直接影響了古斯?jié)h欣位移的增強效應，從而制約了這類傳感器靈敏度的進一步提升。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于導模激發(fā)古斯?jié)h欣位移增強效應的溶液濃度測量方法，采用沉積在上層光學玻璃片上的金屬膜-上層光學玻璃片-樣品腔-下層光學玻璃片-沉積在下層光學玻璃上的金屬膜組成的雙面金屬包覆波導結(jié)構(gòu)，在此結(jié)構(gòu)中，上層光學玻璃片、樣品腔和下層光學玻璃片作為導波層；這樣，就將待測樣本置于波導結(jié)構(gòu)的導波層中，光波以振蕩場形式在導波層中傳播，光波的能量集中在這里，與導波層介質(zhì)的相互作用也最強。這樣通過增加傳感區(qū)域中入射光能的百分比增強了古斯?jié)h欣位移，提高了探測的靈敏度。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明利用激光束聚焦入射到沉積在上層光學玻璃片上的金屬膜-上層光學玻璃片-樣品腔-下層光學玻璃片-沉積在下層光學玻璃上的金屬膜組成的雙面金屬包覆波導結(jié)構(gòu)中，當滿足相位匹配條件時，反射光會產(chǎn)生一個吸收峰，這時時反射光相對入射光的相位發(fā)生變化，于是導致反射光與入射光之間產(chǎn)生一個側(cè)向位移；進而利用這個位移對置于樣品腔中的待測液體折射率變化非常敏感的特性，通過對位移大小的檢測而實現(xiàn)對于液體樣本的折射率變化的實時測量，從而得到溶液濃度的變化。
本發(fā)明具體步驟如下第一步選擇材料和相應的參數(shù)，形成激光入射到沉積在上層光學玻璃片上的金屬膜-樣品腔-沉積在下層光學玻璃上的金屬膜構(gòu)成的波導結(jié)構(gòu)；在拋光后的兩片光學玻璃上濺射鍍金屬膜，上層光學玻璃片和下層光學玻璃片分別被上層金屬膜、下層金屬膜夾住，使上層金屬膜、上層光學玻璃片、樣品腔和下層光學玻璃片、下層金屬膜構(gòu)成一光波導，其中上層光學玻璃片、樣品腔和下層光學玻璃片作為導波層，在樣品腔的兩側(cè)用等厚度的墊片把上層和下層玻璃片粘接起來，樣品腔的厚度由墊片的厚度決定；在下層光學玻璃片上鉆兩個小孔，分別是樣品腔的溶液入口和溶液出口，待測樣品通過溶液入口進入溶液腔，而廢液通過溶液出口排出；上層和下層玻璃片用高拋光的K9玻璃，厚度為0.1mm；沉積在上層光學玻璃片上的金屬膜厚度在33nm-50nm之間，樣品腔的厚度在0.5mm-1mm之間，沉積在下層光學玻璃片上的金屬膜厚度大于100nm；金屬材料選擇金或銀。
第二步將上述波導結(jié)構(gòu)安裝在光學旋轉(zhuǎn)平臺的上轉(zhuǎn)盤上，使棱鏡底面經(jīng)過旋轉(zhuǎn)平臺的中心軸，將光電探測器固定在光學旋轉(zhuǎn)平臺的下轉(zhuǎn)盤上，使得激光束、棱鏡底面法線與光電探測器中心在一個平面上；第三步選擇激光入射角度以及偏振方法。將一固定波長的激光束先后通過偏振片和光闌，選擇入射角度，使激光入射到棱鏡上，激光在光波導上的入射角度選擇在3°～10°之間的吸收峰頂端(反射率最大處)，偏振方式可以根據(jù)實際需要旋轉(zhuǎn)偏振片選擇TE?；蛘逿M模，通常選擇橫電波入射，同時調(diào)節(jié)狹縫使得入射光束的光斑較??；第四步選擇激光波長。調(diào)節(jié)一維位置敏感探測器(PSD)的位置使反射光垂直入射到PSD的中心，調(diào)節(jié)可調(diào)諧激光器的入射波長，選擇波長在能激發(fā)古斯?jié)h欣位移峰的范圍內(nèi)，并處于位移峰的下降沿；可調(diào)諧激光器的輸出波長在858nm-863nm之間可調(diào)。
第五步利用PSD測量從耦合器件底面反射的激光相對入射光的側(cè)向古斯?jié)h欣位移，根據(jù)位移的大小計算得到相應的溶液折射率的變化，選配標準溶液通過定標得出溶液濃度的數(shù)值。
激光光束聚焦入射到上述波導結(jié)構(gòu)中，當固定入射角度時，某個入射波長的光信號如果恰能滿足波導耦合條件，就會被耦合到波導結(jié)構(gòu)中，引起反射光的相位變化，使反射光和入射光之間產(chǎn)生一個明顯的側(cè)向位移。導波層的折射率是決定反射光相位變化的主要因素之一。因此，當樣品腔中作為波導層的待測樣本的折射率發(fā)生微小變化時，反射光的相位也會發(fā)生相應的變化，從而帶來側(cè)向位移的變化。而樣品層的折射率又和樣品腔中的待測液體的濃度特征密切相關(guān)，這就有可能通過檢測反射光的側(cè)向位移的變化來對上述特性的變化進行測量。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明創(chuàng)造性的將待測樣本置于光波導結(jié)構(gòu)的導波層中，通過檢測反射光相對入射光的側(cè)向位移的變化就可以知道探測樣品折射率的改變，從而可以得出樣品濃度的大小，顯著的提高了探測的靈敏度。此外，通過調(diào)節(jié)激光波長可以選擇液體樣品的不同折射率對應的工作點。在PSD的測量精度達20nm條件下，本發(fā)明可以實現(xiàn)分辨率為10-8量級以上的快速實時檢測。
具體實施例方式
下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
實施例1第一步制作雙面金屬包覆波導，形成沉積在上層光學玻璃片上的上層金屬膜-上層光學玻璃片-樣品腔-下層光學玻璃片-沉積在下層光學玻璃上的下層金屬膜構(gòu)成的波導結(jié)構(gòu)。上下層光學玻璃片選用高折射率拋光玻璃片(K9，n＝1.507)，厚度均為0.1mm，上層金屬膜厚度為33nm，樣品腔厚度為1mm，下層金屬膜厚度100nm。金屬采用金(860nm附近折射率為ε＝-28+i1.8)，樣品采用純水，介電系數(shù)為1.77。
第二步將波導結(jié)構(gòu)安裝在光學旋轉(zhuǎn)平臺的上轉(zhuǎn)盤上，使棱鏡底面經(jīng)過旋轉(zhuǎn)平臺的中心軸，將光電探測器固定在光學旋轉(zhuǎn)平臺的下轉(zhuǎn)盤上，使得激光束與光電探測器的中心等高。
第三步入射激光的波長為858.000nm，束腰寬度為1000um。計算機驅(qū)動光學旋轉(zhuǎn)平臺，使激光光束入射上層金屬膜的入射角約為3.32°。此時，反射率達到最大。入射光為橫電波。
第四步調(diào)節(jié)PSD使反射光垂直入射到PSD的中心，此時PSD顯示的位移值為0。調(diào)節(jié)入射激光波長到858.017nm，這時能夠激發(fā)導模的共振吸收峰，并且該波長處于側(cè)向位移下降沿的線性區(qū)。
第五步當樣品介電系數(shù)變化時，測量反射光側(cè)向位移的變化。
根據(jù)計算表面對樣品介電系數(shù)的檢測可以達到2.5×10-9(PSD測量的位移分辨率為20nm)。樣品腔內(nèi)不同樣品介電系數(shù)和位移變化列在下表中。

實施例2第一步制作雙面金屬包覆波導，形成沉積在上層光學玻璃片上的金屬膜-上層光學玻璃片-樣品腔-下層光學玻璃片-沉積在下層光學玻璃上的金屬膜構(gòu)成的波導結(jié)構(gòu)。上下層光學玻璃片選用高折射率拋光玻璃片(K9，n＝1.507)，厚度均為0.1mm，上層金屬膜厚度為40nm，樣品腔厚度為0.75mm，下層金屬膜厚度300nm。金屬采用金(860nm附近折射率為ε＝-28+i1.8)，樣品采用純水，介電系數(shù)為1.77。
第二步將波導結(jié)構(gòu)安裝在光學旋轉(zhuǎn)平臺的上轉(zhuǎn)盤上，使棱鏡底面經(jīng)過旋轉(zhuǎn)平臺的中心軸，將光電探測器固定在光學旋轉(zhuǎn)平臺的下轉(zhuǎn)盤上，使得激光束與光電探測器的中心等高。
第三步入射激光的波長為860.000nm，束腰寬度為1000um。計算機驅(qū)動光學旋轉(zhuǎn)平臺，使激光光束入射上層金屬膜的入射角約為7.00°。此時，反射率達到最大。入射光為橫電波。
第四步調(diào)節(jié)PSD使反射光垂直入射到PSD的中心，此時PSD顯示的位移值為0。調(diào)節(jié)入射激光波長到860.026nm，這時能夠激發(fā)導模的共振吸收峰，并且該波長處于側(cè)向位移下降沿的線性區(qū)。
第五步當樣品介電系數(shù)變化時，測量反射光側(cè)向位移的變化。
根據(jù)計算表面對樣品介電系數(shù)的檢測可以達到1.5×10-8(PSD測量的位移分辨率為20nm)。樣品腔內(nèi)不同樣品介電系數(shù)和位移變化列在下表中。

實施例3第一步制作雙面金屬包覆波導，形成沉積在上層光學玻璃片上的金屬膜-上層光學玻璃片-樣品腔-下層光學玻璃片-沉積在下層光學玻璃上的金屬膜構(gòu)成的波導結(jié)構(gòu)。上下層光學玻璃片選用高折射率拋光玻璃片(K9，n＝1.507)，厚度均為0.1mm，上層金屬膜厚度為50nm，樣品腔厚度為0.5mm，下層金屬膜厚度500nm。金屬采用金(860nm附近折射率為ε＝-28+i1.8)，樣品采用純水，介電系數(shù)為1.77。
第二步將波導結(jié)構(gòu)安裝在光學旋轉(zhuǎn)平臺的上轉(zhuǎn)盤上，使棱鏡底面經(jīng)過旋轉(zhuǎn)平臺的中心軸，將光電探測器固定在光學旋轉(zhuǎn)平臺的下轉(zhuǎn)盤上，使得激光束與光電探測器的中心等高。
第三步入射激光的波長為862.000nm，束腰寬度為1000um。計算機驅(qū)動光學旋轉(zhuǎn)平臺，使激光光束入射上層金屬膜的入射角約為9.83°。此時，反射率達到最大。入射光為橫電波。
第四步調(diào)節(jié)PSD使反射光垂直入射到PSD的中心，此時PSD顯示的位移值為0。調(diào)節(jié)入射激光波長到862.022nm，這時能夠激發(fā)導模的共振吸收峰，并且該波長處于側(cè)向位移下降沿的線性區(qū)。
第五步當樣品介電系數(shù)變化時，測量反射光側(cè)向位移的變化。
根據(jù)計算表面對樣品介電系數(shù)的檢測可以達到4.5×10-8(PSD測量的位移分辨率為20nm)。樣品腔內(nèi)不同樣品介電系數(shù)和位移變化列在下表中。

權(quán)利要求
1.一種基于導模激發(fā)古斯?jié)h欣位移增強效應的溶液濃度測量方法，其特征在于，利用激光束聚焦入射到沉積在上層光學玻璃片上的金屬膜-上層光學玻璃片-樣品腔-下層光學玻璃片-沉積在下層光學玻璃上的金屬膜組成的雙面金屬包覆波導結(jié)構(gòu)中，當滿足相位匹配條件時，反射光會產(chǎn)生一個吸收峰，這時時反射光相對入射光的相位發(fā)生變化，于是導致反射光與入射光之間產(chǎn)生一個側(cè)向位移；進而利用這個位移對置于樣品腔中的待測液體折射率變化非常敏感的特性，通過對位移大小的檢測而實現(xiàn)對于液體樣本的折射率變化的實時測量，從而得到溶液濃度的變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于導模激發(fā)古斯?jié)h欣位移增強效應的溶液濃度測量方法，其特征在于，具體步驟如下第一步選擇材料和相應的參數(shù)，形成激光入射到沉積在上層光學玻璃片上的金屬膜-樣品腔-沉積在下層光學玻璃上的金屬膜構(gòu)成的波導結(jié)構(gòu)；在拋光后的兩片光學玻璃上濺射鍍金屬膜，上層光學玻璃片和下層光學玻璃片分別被上層金屬膜、下層金屬膜夾住，使上層金屬膜、上層光學玻璃片、樣品腔和下層光學玻璃片、下層金屬膜構(gòu)成一光波導，其中上層光學玻璃片、樣品腔和下層光學玻璃片作為導波層，在樣品腔的兩側(cè)用等厚度的墊片把上層和下層玻璃片粘接起來，樣品腔的厚度由墊片的厚度決定；在下層光學玻璃片上鉆兩個小孔，分別是樣品腔的溶液入口和溶液出口，待測樣品通過溶液入口進入溶液腔，而廢液通過溶液出口排出；第二步將波導結(jié)構(gòu)安裝在光學旋轉(zhuǎn)平臺的上轉(zhuǎn)盤上，使棱鏡底面經(jīng)過旋轉(zhuǎn)平臺的中心軸，將光電探測器固定在光學旋轉(zhuǎn)平臺的下轉(zhuǎn)盤上，使得激光束、棱鏡底面法線與光電探測器中心在一個平面上；第三步將一固定波長的激光束先后通過偏振片和光闌，選擇入射角度使激光入射到棱鏡上，入射角選擇在一個共振吸收峰的頂端，偏振方式根據(jù)實際需要旋轉(zhuǎn)偏振片選擇TE模或者TM模，同時調(diào)節(jié)狹縫使得入射光束的光斑較小；第四步調(diào)節(jié)一維位置敏感探測器的位置使反射光垂直入射到一維位置敏感探測器的中心，調(diào)節(jié)可調(diào)諧激光器的入射波長，選擇波長在能激發(fā)古斯?jié)h欣位移峰的范圍內(nèi)，并處于位移峰的下降沿；第五步利用一維位置靈敏探測器測量從耦合器件底面反射的激光相對入射光的側(cè)向古斯?jié)h欣位移，根據(jù)位移的大小計算得到相應的溶液折射率的變化，選配標準溶液通過定標得出溶液濃度的數(shù)值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于導模激發(fā)古斯?jié)h欣位移增強效應的溶液濃度測量方法，其特征是，所述上層和下層玻璃片用高拋光的K9玻璃，厚度為0.1mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于導模激發(fā)古斯?jié)h欣位移增強效應的溶液濃度測量方法，其特征是，沉積在上層光學玻璃片上的金屬膜厚度在33nm-50nm之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于導模激發(fā)古斯?jié)h欣位移增強效應的溶液濃度測量方法，其特征是，所述樣品腔的厚度在0.5mm-1mm之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于導模激發(fā)古斯?jié)h欣位移增強效應的溶液濃度測量方法，其特征是，沉積在下層光學玻璃片上的金屬膜厚度大于100nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于導模激發(fā)古斯?jié)h欣位移增強效應的溶液濃度測量方法，其特征是，所述金屬膜，其金屬材料選擇金或銀。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于導模激發(fā)古斯?jié)h欣位移增強效應的溶液濃度測量方法，其特征是，激光在光波導上的入射角度選擇在3°～10°之間的吸收峰頂端。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于導模激發(fā)古斯?jié)h欣位移增強效應的溶液濃度測量方法，其特征是，所述可調(diào)諧激光器的輸出波長在858nm-863nm之間。
全文摘要
一種基于導模激發(fā)古斯?jié)h欣位移增強效應的溶液濃度測量方法，利用激光束聚焦入射到沉積在上層光學玻璃片上的金屬膜—上層光學玻璃片—樣品腔—下層光學玻璃片—沉積在下層光學玻璃上的金屬膜組成的雙面金屬包覆波導結(jié)構(gòu)中，當滿足相位匹配條件時，反射光會產(chǎn)生一個吸收峰，這時時反射光相對入射光的相位發(fā)生變化，于是導致反射光與入射光之間產(chǎn)生一個側(cè)向古斯?jié)h欣位移；利用這個位移對置于樣品腔中的待測液體折射率變化非常敏感的特性，通過對位移大小的檢測而實現(xiàn)對于液體樣本的折射率變化的實時測量，從而得到溶液濃度的變化。本發(fā)明可以實現(xiàn)高靈敏度，快速的實時檢測，可廣泛應用于生物化學領(lǐng)域的濃度測量。
文檔編號G01N21/55GK101042341SQ200710039620
公開日2007年9月26日 申請日期2007年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月19日
發(fā)明者陳麟, 曹莊琪, 李紅根, 沈啟舜 申請人:上海交通大學