[发明专利]具有角漂移自适应结构的表面等离子体共振折射率传感器

说明书

技术领域

本发明涉及传感器及传感技术领域，具体涉及一种表面等离子体共振折射率传感器。

背景技术

表面等离子体共振是指金属表面自由电子的密度波动现象，通常是被边界上的外来电场所激发的表面电荷的量子振动。表面等离子体共振在特定条件下可以被可见光的倏逝波场所激发，因此在表面以及界面的光学性质研究中有重要意义，以表面等离子体共振效应为原理的折射率传感器已在光学、生物、化学、物理等多个领域得到了广泛应用。

为满足光波与金属表面等离子体波之间的藕合条件，必须设计合适的激发结构，常见的主要有棱镜型、光栅型和波导型，其中棱镜型结构简单，检测方便，同时灵敏度也很高，因此发展比较成熟,应用广泛，但该类结构受入射角漂移影响较大。为进一步提高棱镜型表面等离子体共振折射率传感器的性能和应用，需要在光路结构设计、信号调制处理、算法优化等方面加以改进。

发明内容

为了克服传统棱镜型表面等离子体共振传感器角漂移误差较大的缺陷，本发明提出一种结构简单、易于加工的具有角漂移自适应结构的表面等离子体共振折射率传感器。

本发明的技术方案是：一种具有角漂移自适应结构的表面等离子体共振折射率传感器，它包括：它包括：平行六面体棱镜、屋脊棱镜和金属薄膜；

所述金属薄膜镀在所述平行六面体棱镜上、下两个表面，所述屋脊棱镜的长方形底面与所述平行六面体棱镜的右底面胶合在一起，所述屋脊棱镜的脊边平行于固定面；且所述平行六面体棱镜的上表面与左底面的夹角θ₀等于选定的入射角θ_inc（入射光线与上表面法线的夹角）；

其中，所述平行六面体棱镜与屋脊棱镜采用光学透明介质材料；所述金属薄膜采用能够产生表面等离子体共振效应的金属材料。所述金属薄膜的厚度介于20nm－100nm之间。

入射光从所述平行六面体棱镜的左底面垂直入射进入所述平行六面体棱镜内，被镀有金属薄膜的所述平行六面体棱镜的上、下表面先后反射后，垂直入射到所述屋脊棱镜中并被所述屋脊棱镜反射，其反射光再次进入所述平行六面体棱镜并再次被镀有金属薄膜的所述平行六面体棱镜的下、上表面反射，然后从所述平行六面体棱镜出射，出射光与入射光平行但方向相反。

工作原理：由于在整个工作过程中，入射光在平行六面体棱镜的上、下两个镀有金属薄膜表面总共反射4次，进入屋脊棱镜之前和之后各两次。进入屋脊棱镜之前入射光产生角漂移为Δθ，即从下表面反射进入屋脊棱镜的光入射角为θ_inc+Δθ，根据屋脊棱镜的性质，其反射光的出射角为θ_inc-Δθ。而从屋脊棱镜出来后的在平行六面体棱镜下、上两个表面的反射，又产生Δθ的角漂移。这样，光进入屋脊棱镜之前和之后，由于角漂移影响在平行六面体棱镜的上、下两个镀膜表面产生的表面等离子体共振信号的变化可以几乎被抵消掉。

本发明的有益效果是：本发明设计的对角漂移能够进行自动补偿的光学结构，有效地减小入射光角漂移引起的测量误差。而且，由于光在镀膜表面总共反射了4次，这样还大大增加了表面等离子体共振信号的强度，从而提高了测量灵敏度。此外，本发明的结构比较简单、易于加工。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明光线传递过程的主视图；

图3为本发明光线传递过程的视意图；

图4为本发明光线传递过程中所引起测量误差的原理示意图；

图5为未采用本发明情况下入射角漂移为1×10-5弧度所引起的测量误差曲线；

图6为采用本发明情况下入射角漂移为1×10-5弧度所引起的测量误差曲线。

其中，平行六面体棱镜-101、屋脊棱镜-102、金属薄膜-103。

具体实施方式

一种具有角漂移自适应结构的表面等离子体共振折射率传感器，它包括：平行六面体棱镜101、屋脊棱镜102和金属薄膜103；

所述金属薄膜103镀在所述平行六面体棱镜101上、下两个表面，所述屋脊棱镜102的长方形底面与所述平行六面体棱镜101的右底面固定在一起，所述屋脊棱镜102的脊边平行于固定面；且所述平行六面体棱镜101上表面与左底面的夹角θ₀等于选定的入射角θ_inc；

其中，所述平行六面体棱镜101与屋脊棱镜102采用光学透明介质材料；所述金属薄膜103采用能够产生表面等离子体共振效应的金属材料。所述金属薄膜103的厚度介于20nm－100nm之间。