[发明专利]提高表面等离子体波传感器测量精度的方法及其传感器

说明书

本发明属于各种激发表面等离子体波的传感器的技术领域，特别涉及对用Kretschmann装置构成的表面等离子体波传感器的改进。

近十年来，利用Kretschmann装置激发表面等离子体波的传感器得到广泛重视和研究。现已应用于物理、化学、生物及机械各领域。例如在化学领域中对各种化学成份如H₂，CO，NH₃及酒进行检测，控制等。这类传感器的结构如图1所示。一般包括：单色光源(通常为激光)11；起偏器12；Kretschmann装置13；光电转换器14，信号检测器15。其工作原理是：P偏振光在一定的条件下可以激发表面等离子体波，这个条件通常用Kretschmann装置实现。在激发表面等离子体波时，由于能量共振转移，其反射光强变小，检测反射光强的变化，可以知道表面等离子体波激发的情况。在这类传感器中，起偏器放置成只允许光源中的P偏振光(P波)通过，Kretschmann装置一般由高折射率的玻璃或晶体做成的棱镜(折射率为n1)并经镀膜组成，一般先镀金属膜，如银、金、钯等(折射率为n2)再镀传感层(或没有)有的还在金属膜或传感膜之间加中间层。激发表面等离子体波要求入射角大于全反射角。反射光特性随入射角的变化一般如图2所示。

图2所示曲线对金属膜层n2及环境(折射率n3)非常敏感。所以在激发表面等离子体波的条件下，外界待测量的很小的变化，可以引起反射光很大的变化，测量反射光强的变化，可以知道待测量的变化。这就是通常的表面等离子体波传感器工作原理。

检测灵敏度一般与最低点反射率、半宽度及待测量引起的曲线平移有关。为了提高测量灵敏度，很多研究者在金属层和传感层之间加中间层。希望通过多层干涉降低最低点反射率。目前的最低点一般若不用多膜干涉技术，则在百分之几至十几；若采用了多膜干涉技术，则在百分之一左右。

这种基于测P波在激发表面等离子体波时振幅变化的各种传感器其最低点反射率很难突0.5％，因此测量精度受到限制。

本发明的目的在于提出一种新的测量表面等离子体波的方法，用以改进已有表面等离子体波传感器的测量精度，并形成一种新型传感器——偏振型表面等离子体波传感器。具有结构简单，测量精度高，可广泛适用于物理、化学、生物及机械各领域。

本发明提出一种提高已有表面等离子体波传感器的测量精度的方法，所说的传感器包括单色光源，起偏器组成的入射光路，Kretschmann装置；接收反射光的光电接收器及信号检测器，其特征在于包括以下措施：

(1)交所说的起偏器的位置进行调整，使入射光的P与S两个偏振方向的光均能通过，射入Kretschmann装置中；

(2)在所说Kretschmann装置与光电接收器之间设置相位补偿器及检偏器；

(3)调整所说相位补偿器及检偏器的相对位置，所说的信号检测器接收的信号为最小，并以此为测量基点。

本发明设计出一种采用上述方法的偏振型表面等离子体波传感器，包括单色光源、起偏器组成的入射光路，使入射光进行全反射的Kretschmann装置，接收反射光的光电转换器和信号检测器，其特征在于所说的起偏器放置成使入射光P，S二个偏振方向的光均通过的位置，还包括在所说Kretschmann装置与光电转换器之间设置相位补偿器及检偏器，检偏器的检偏方向与通过相位补偿器的偏振光方向垂直。

新的方法主要基于P波在激发表面等离子体波时相位也发生明显变化(约300度)而S波由于不能激发表面等离子体波振幅和相位在感兴趣的范围内可以认为基本无变化。用新的原理做成偏振型表面等离于体波传感器。它只需对原来的传感器作不大的改进，而检测分辨率可提高一至二个数量级。具有结构简单，精度高和适应性广的优点。