[发明专利]一种用于SPR传感的棱镜相位调制器及其调制方法

说明书

技术领域

本发明属于传统光学、光子学和工程检测学交叉技术领域，涉及一种用于SPR传感的棱镜相位调制器及其调制方法。

背景技术

表面等离子共振传感器（Surface Plasmon Resonance Sensor，以下简称SPR传感器）是一种高精度的折射率传感器。其利用激光以一定入射角入射到金属薄膜来激发其表面自由电子的共振，既SPR，来实现对金属薄膜表面的样品折射率的高精度传感。发生SPR时，反射光中的平行于入射面的光场分量（以下简称p光）的光强迅速衰减并伴随着相位的剧烈跳变，而垂直于入射面的光场分量（以下简称s光）的光强基本不变，其相位也没有剧烈跳变。相位型SPR传感器通过提取反射光中p光和s光的相位差（以下简称p-s光相差）来检测样品折射率，这种类型的SPR传感器的传感精度最高，是角度型或波长型SPR传感器的10到100倍，可以达到10^-9 RIU。另外，相位型SPR传感器更适合进行高通量的面阵传感，利用CCD成像技术来同时进行多个通道样品的同时检测。而角度型和波长型SPR传感器由于各个像素之间的干扰和检测设备复杂等原因，都不适合进行面阵传感。相位型SPR传感器的高灵敏度和高通量的优点，使其检测能力和实际应用价值高于角度型和波长型的SPR传感器，可以用在高通量、低浓度的蛋白互作、DNA分子结合和分子免疫反应等检测领域，因此，相位型SPR面阵传感器有着非常大的应用价值和发展潜力。

高精度的相位型SPR面阵传感器一般不直接测量反射光的p-s光相差来检测样品折射率，而是在入射光路中加入相位调制器来增加采样点数，减少环境噪声对检测精度的影响。

根据光路设置不同，相位型SPR面阵传感器可以分为共光路型（参考光路和实验光路为同一条光路）和非共光路型（参考光路和实验光路不为同一条光路）。共光路型的相位调制器调制的是p-s光相差，目前一般采用液晶相位调制器（LCM）。而非共光路型的相位调制器调制的是实验光路和参考光路的光程差，目前一般采用压电陶瓷位移平台（PZT）。基于LCM的调制器利用液晶分子的双折射效应来调制p-s光相差的调制器，由于液晶分子双折射效应受温度波动影响大，所以对实验环境的温度稳定性要求较高。而基于PZT的调制方式要用Mech-Zehnder干涉结构，这种结构对实验平台的稳定性要求非常高，稍微的振动就会影响检测结果。且LCM和PZT的价格往往昂贵，一般分别在10万元和5万元以上。

发明内容

本发明针对现有技术中相位型SPR面阵传感器中的相位调制器对实验环境要求高、实验稳定度低、价格昂贵等缺点，发明了一种全新的共光路型棱镜相位调制器及其调制方法，这种调制器能够在温度变化较大，平台存在震动的环境中稳定地调制激光p-s光相差，而且成本低，有较大的实际应用潜力。

本发明采用的技术方案是：

本发明中的相位调制器包括斜方棱镜、步进电机旋转台、高反镜和光分束器。斜方棱镜设置在步进电机旋转台上，步进电机旋转台带动斜方棱镜旋转；外部空间光源发出的激光经光分束器后从斜方棱镜的一个端面进入斜方棱镜，在斜方棱镜中发生多次全反射后由斜方棱镜的另一个端面出射至高反镜；激光经高反镜反射后在斜方棱镜中沿原光路返回，到达光分束器后产生反射光，该反射光即为相位调制光。

进一步的说，斜方棱镜材料为BK7，斜方棱镜长宽比为4:1；激光首次入射斜方棱镜时的入射角为-10°到5°时，对应的相位调制角范围为-368°到0°；

利用该棱镜相位调制器进行相位调制的方法，具体是：

调整固定在步进电机旋转台上的斜方棱镜的位置，使激光入射点位于旋转台的旋转轴附近，高反镜放置在斜方棱镜出射光路上，调整高反镜使其与出射光路垂直；当激光以一定角度从斜方棱镜的一个端面入射时，会在棱镜内部发生偶数次全反射，然后从斜方棱镜的另一个端面出射，发生全反射后，激光的p-s光相差会发生改变；根据光学折反射定律，从斜方棱镜出射的光和入射光平行，经过高反镜反射后始终按照原路返回，并最终从光分束器反射出去，成为已调制的出射光。相位调制角度和全反射角度有关，通过计算机控制步进电机旋转台带动斜方棱镜的连续转动来调节激光在斜方棱镜内发生全反射的入射角，可以实现对入射光p-s光相差的连续调制。

本发明具有的有益效果是：

本发明的棱镜相位调制器克服了传统相位调制器LCM和PZT温度稳定性低和抗震性差的缺点，在环境温度变化和平台震动的情况下，稳定地调制入射激光的p-s光相位差。同时，用棱镜相位调制器替代LCM或者PZT可以大大降低SPR传感器的成本。