一種古斯?jié)h欣位移spr高靈敏度介質(zhì)折射率檢測方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明屬于基于表面等離子體共振（surface plasmon resonance(SPR))效應 測量介質(zhì)折射率的技術(shù)，特別是一種基于測量古斯?jié)h欣位移（Goos-Hinehen shift(GH shift)) SPR高靈敏度介質(zhì)折射率檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 表面等離子體共振（SPR)效應作為一種發(fā)生在金屬與電介質(zhì)界面的物理光學現(xiàn) 象，它對環(huán)境介質(zhì)折射率變化非常敏感。目前，基于SPR效應的傳感器結(jié)構(gòu)已被廣泛應用于 液態(tài)物質(zhì)檢測技術(shù)，如生化、環(huán)保監(jiān)測、藥品研制和食品安全等領域，并在基因突變的檢測、 生物分子反應動力學測定以及工業(yè)廢水廢氣監(jiān)控等取得重大進展?；赟PR的棱鏡型傳感 器檢測分析方法有4種：
[0003] (1)角度調(diào)制法，即單色光入射，改變?nèi)肷浣牵瑱z測反射光的歸一化強度隨入射角 的變化情況，并記錄反射光強度最小時的入射角，也就是共振角；
[0004] (2)波長調(diào)制法，即復色光入射，固定入射角而對反射光的光譜進行分析，得到反 射率隨波長的變化曲線，并記錄共振波長；
[0005] (3)強度調(diào)制法，即入射光的角度和波長都固定，通過檢測反射光強度的變化分析 折射率的變化；
[0006] (4)相位調(diào)制法，即入射光的角度和波長都固定，觀測入射光與反射光的相位差。
[0007] 在這4種方法中，角度調(diào)制法需要昂貴的精密角度轉(zhuǎn)動裝置和控制系統(tǒng)； 波長調(diào)制法需要復色光和昂貴的光譜分析裝置；相位調(diào)制法需要一系列高頻電路，這 就使得它們的應用受到限制；強度調(diào)制法由于光源強度的波動以及光電接收器和放 大電路存在著直流漂移，其測量精度會受到很大的限制。文獻[YANG Xia0-Yan，LIU De-Ming, XIE ffen-Chong, LI Chun-Fang. High-sensitivity sensor based on surface plasmon resonance enhanced lateral beam displacements. Chin. Phys. Lett. ,2007,24(2):458-461]是一種基于克萊切曼（Kretschmann)結(jié)構(gòu)的測量古斯?jié)h欣位 移的新型棱鏡SPR傳感方法。這種傳感方法不具有使一束入射的測量光能兩次激勵SPR并 兩次增強古斯?jié)h欣位移（GH shift)，從而能進一步提高系統(tǒng)的測試分辨率（或靈敏度）。總 之，該文獻提出的方法在進一步提高系統(tǒng)的測量分辨率（或靈敏度）方面存在不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有基于測量古斯?jié)h欣位移的棱鏡SPR技術(shù)的不足，提供一 種提高系統(tǒng)測量分辨率（或靈敏度）的古斯?jié)h欣位移SPR高靈敏度介質(zhì)折射率檢測方法。
[0009] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0010] -種古斯?jié)h欣位移SPR高靈敏度介質(zhì)折射率檢測方法，采用由半導體激光器電源 與帶尾光纖的半導體激光器構(gòu)成的激光發(fā)射裝置、光開關(guān)、偏振光分束器及平行入射面振 蕩的偏振光波全反射裝置、激勵表面等離子體共振并增強古斯?jié)h欣位移裝置、光電轉(zhuǎn)換、信 號放大和數(shù)據(jù)處理裝置，通過實驗得到標準介質(zhì)所對應的古斯?jié)h欣位移，采用數(shù)據(jù)處理裝 置對所測介質(zhì)與標準介質(zhì)所對應的古斯-漢欣位移進行比較處理，得到被測介質(zhì)的折射 率；其特征在于：所述的激勵表面等離子體共振并增強古斯?jié)h欣位移裝置是一束入射光兩 次激勵表面等離子體共振并兩次增強古斯?jié)h欣位移裝置，所述的一束入射光兩次激勵表面 等離子體共振并兩次增強古斯?jié)h欣位移裝置包含四邊棱鏡、金屬薄膜及待測量介質(zhì)構(gòu)成的 克萊切曼結(jié)構(gòu)和全反射裝置；其中：
[0011] 魯所述的偏振光分束器及平行入射面振蕩的偏振光波全反射裝置包含偏振光分 光膜、平行入射面振蕩的偏振光波全反射膜和兩個直角棱鏡；
[0012] 魯所述的光開關(guān)包含輸入光纖、傳感光支路光纖準直器、參考光支路光纖準直器， 輸入光纖與帶尾光纖的半導體激光器之間通過光纖連接器連接；
[0013] 魯所述的光電轉(zhuǎn)換、信號放大和數(shù)據(jù)處理裝置包含光電位置傳感器、電流電壓轉(zhuǎn) 換器、差動放大電路和數(shù)據(jù)處理裝置；
[0014] 魯由半導體激光器發(fā)出的激光束經(jīng)光開關(guān)后變?yōu)閰⒖脊馀c傳感光；
[0015] 參考光經(jīng)光纖準直器到達偏振光分束器及平行入射面振蕩的偏振光波全反射裝 置，經(jīng)偏振光分光膜后，平行入射面振蕩的偏振光波直接入射到光電位置傳感器上產(chǎn)生參 考光電流1"與I n，該電流提供基準位移，即稱零點位移；
[0016] 傳感光束經(jīng)光纖準直器到達偏振光分束器及平行入射面振蕩的偏振光波全反射 裝置，經(jīng)偏振光分光膜后，平行入射面振蕩的偏振光波垂直激勵表面等離子體共振并增強 古斯?jié)h欣位移裝置的四邊棱鏡的第一工作面到達其底部，在底部金屬薄膜與待測介質(zhì)界面 上第一次激勵表面等離子體共振，并首次增強古斯?jié)h欣位移，之后，反射光到達全反射裝 置，經(jīng)全反射直角棱鏡兩次全反射后，以入射角（γ)進入激勵表面等離子體共振并增強古 斯?jié)h欣位移裝置的四邊棱鏡的第二工作面到達其底部，并在金屬薄膜與待測介質(zhì)界面上第 二次激勵表面等離子體共振，并再次增強古斯?jié)h欣位移；
[0017] 經(jīng)過兩次激勵表面等離子體共振并兩次增強古斯?jié)h欣位移后的反射光，再次到達 偏振光分束器及平行入射面振蕩的偏振光波全反射裝置被全反射薄膜反射到光電位置傳 感器上產(chǎn)生傳感光電流^與I 1;
[0018] 傳感光電流與參考光電流分別經(jīng)電流電壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電壓后分時經(jīng)過差動放 大電路放大，到達數(shù)據(jù)處理裝置完成數(shù)據(jù)處理。
[0019] 所述的數(shù)據(jù)處理裝置提供光開關(guān)的控制信號；數(shù)據(jù)處理裝置處理數(shù)據(jù)的主要運算 之一是求參考光支路電流I niUn對應的電壓V"、1之差與傳感光支路電流I k、I1對應的電壓 vk、V1 之差的比值 S，即：S= [(Vni-VnV(Vk-V1)L
[0020] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有突出的實質(zhì)性特點和顯著的效果是：
[0021] 所述的激勵SPR并增強古斯?jié)h欣位移裝置是一束入射光兩次激勵SPR并兩次增強 古斯?jié)h欣位移裝置；所述的一束入射光兩次激勵SPR并兩次增強古斯-漢欣位移裝置是由 四邊棱鏡、金屬薄膜及待測量介質(zhì)構(gòu)成的克萊切曼結(jié)構(gòu)和全反射裝置組成；減少了 TM偏振 光波的能量損耗，可兩次極大地增強古斯?jié)h欣位移，高效利用了 TM偏振光波，從而提高了 系統(tǒng)的測量分辨率（或靈敏度）。
【附圖說明】
[0022] 圖1是一種古斯?jié)h欣位移SPR高靈敏度介質(zhì)折射率檢測方法的原理示意圖；
[0023] 圖2是一束入射光兩次激勵SPR并兩次增強古斯?jié)h欣位移結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖3是偏振光分束器及平行入射面振蕩的偏振光波反射裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖4是兩次增強古斯?jié)h欣位移與入射角度的關(guān)系曲線圖；
[0026] 圖5為數(shù)據(jù)處理裝置控制和數(shù)據(jù)處理流程圖。
[0027] 圖中：半導體激光器電源1、半導體激光器2、光開關(guān)3、傳感光支路光纖準直器4、 參考光支路光纖準直器5、由直角棱鏡60UPBS分光膜602、直角棱鏡603、平行入射面振蕩 (TM)光全反射膜604、四邊棱鏡701、金屬薄膜702、測量液體介質(zhì)703、全反射裝置8、光電 位置傳感器9、電流電壓轉(zhuǎn)換器10、差動放大器11和數(shù)