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基于量子弱测量的表面等离子体共振传感器及金属表面介质折射率测量方法技术

技术编号:17777629 阅读:29 留言:0更新日期:2018-04-22 05:09
本发明专利技术公开了一种基于量子弱测量的表面等离子体共振传感器及金属表面介质折射率测量方法,通过设置合适的偏振态制备器和偏振态选择器,以使从经棱镜‑金属膜‑样品界面反射的光束偏振态与偏振态选择器设定的偏振态接近正交,并利用量子弱测量放大效应得到的光强得到样品折射率。本发明专利技术基于量子弱测量技术,对环境噪声和技术噪声有强烈抑制作用,可实现在自然状态下样品折射率变化的高精度测量,有望分子相互作用在超低浓度、甚至少数分子层面的实时检测和分析,在生物医学、生命科学、分析化学、物理学、材料学等多个技术领域具有重要应用价值。

【技术实现步骤摘要】
基于量子弱测量的表面等离子体共振传感器及金属表面介质折射率测量方法
本专利技术涉及量子光学技术
,涉及一种基于量子弱测量的表面等离子体共振传感器金属表面介质折射率测量方法,利用量子弱测量的弱值放大特性,来进一步使折射率传感灵敏度比现有的SPR传感器提高至少两个数量级,可适用于生物、化学、食品安全等领域的实时、无标记的微弱分子相互作用过程的高灵敏度探测。
技术介绍
表面等离子体共振(SurfacePlasmonResonance,SPR)是发生在金属/介质表面纳米尺度范围的光学共振现象,对金属膜表面截止折射率的变化异常敏感,因此被用来发展各种高灵敏的折射率传感器(即SPR传感器)。SPR传感器基于纯物理光学效应,无需分子标记和样品纯化,也不需要在真空或者导电的环境下进行,抗干扰能力强,可对分子之间的相互作用进行原位实时测量,且相对于质谱和X光电子能谱成本较低,基于以上优势,这种传感器在物理、生物、化学、制药、环境以及食品安全等领域得到了广泛应用。然而,随着科技的进步,待测样品的浓度越来越低,甚至希望达到少数或者单分子两级,微小浓度变化引起的样品折射率变化更加微弱,这要求SPR传感器的灵敏度有一个较大的提升。现有SPR传感器(基于振幅、光谱、光强)的灵敏度一般1×10-4RIU~1×10-6RIU(RefractiveIndexUnit)之间,与光源和仪器的固有噪声水平相当,很难再有提升的空间。基于相位调制的SPR传感器利用TM和TE波在金属介质界面反射的相位差对折射率的敏感性,通过光的干涉来测量该相位差,灵敏度可以达到至2×10-7RIU(Wu,Chien-Ming,etal.High-sensitivitysensorbasedonsurfaceplasmonresonanceandheterodyneinterferometry.SensorsandActuatorsB:Chemical92.1(2003):133-136),但是采用的干涉检测光路复杂,需要防震、隔振来避免环境噪声的干扰,因此难以广泛应用,灵敏度也难以进一步再提高。综上所述,基于材料宏观光学性质的SPR传感器灵敏度已经难以得到提升,为了进一步提高SPR传感器的灵敏度,需要打破对传统光学现象的认识,探究对环境噪声和技术噪声不敏感的光学本征特征,并基于此研发一种新型的高灵敏度SPR传感器,实现对折射率微弱变化的精确测量。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在首先提供一种基于量子弱测量的表面等离子体传感器,能够进一步提高样品折射率的测量灵敏度。本专利技术的第二个目的在于基于上述基于量子弱测量的表面等离子体传感器,提供一种基于量子弱测量的金属表面介质折射率测量方法。本专利技术提供了一种基于量子弱测量的表面等离子体传感器,包括发光装置、偏振态制备器、镀有金属膜的棱镜、样品耦合器、偏振态选择器和光电探测器,棱镜镀有金属膜的一面与样品耦合器中的样品接触;由发光装置发出的光束经偏振态制备器变成线偏振光、线偏振光经棱镜入射到棱镜-金属膜-样品界面,经界面反射形成椭圆偏振光或圆偏振光,椭圆偏振光或圆偏振光经偏振态选择器后由光电探测器接收;从棱镜反射出的光束偏振态与偏振态选择器设定的偏振态之间构成量子弱测量光路部分,两个偏振态接近垂直,以使光探测器接收到的光强信号最小。上述基于量子弱测量的表面等离子体传感器,所针对的样品可以为透明或半透明的固体、液体和气体;当样品为固体时,可以不需要样品耦合器;当样品为液体或气体时,测量时需要将其放入透明、半透明容器或微流通道等样品耦合器中。上述基于量子弱测量的表面等离子体传感器,入射到金属膜表面的入射角θ与金属/样品介质表面发生光学共振时的光束入射角θSPR之间的关系为θSPR-20°≤θ≤θSPR+20°。上述基于量子弱测量的表面等离子体传感器,所述发光装置包括光源发生器以及设置于光源发生器出射光路上的能量调节器;所述光源发生器用于提供偏振光源,可以为激光器、激光二极管、超辐射发光二极管、白光发生器、量子光源发生器;所述能量调节器用于对由光源发生器发出的光束能量进行调节,可以为二分之一波片或中性衰减片;对于二分之一波片,通过调节其光轴方向与入射光偏振方向的夹角实现对光能量的调节。上述基于量子弱测量的表面等离子体传感器,所述偏振态制备器用于构造从棱镜反射出的光束偏振态,同时将发光装置发出的光束调整为线偏振光,以使线偏振光束入射到棱镜-金属膜-样品界面,经该界面反射后形成椭圆偏振光或圆偏振光;所述偏振态选择器用于构造经偏振态选择器后的光束偏振态,并使从棱镜反射出的光束偏振态与偏振态选择器设定的偏振态接近正交,从而将入射到偏振态选择器的椭圆偏振光或圆偏振光调整为近似线偏振光。两个偏振态之间的夹角为90°±△,△不大于5°,以保证足够的量子弱值放大效应,实现高精度和高灵敏度的测量;所述偏振态制备器为偏振器或者偏振器与相位补偿系统的组合,相位补偿系统位于偏振器的后面;所述偏振态选择器为偏振器或者偏振器与相位补偿系统的组合,相位补偿系统位于偏振器的前面;所述偏振器为格兰激光偏振棱镜或偏振分光镜(例如沃拉斯棱镜);所述相位补偿系统为相位补偿器(例如巴比涅相位补偿器)、四分之一波片、二分之一波片中的至少一种。上述基于量子弱测量的表面等离子体传感器,所述偏振态制备器的光轴与水平面所成夹角α满足:0<α≤20°,以进一步保证足够的量子弱值放大效应,实现高精度和高灵敏度的测量。上述基于量子弱测量的表面等离子体传感器,所述棱镜用于产生表面等离子体共振效应,棱镜可以为三棱镜、四棱镜、五棱镜等。上述基于量子弱测量的表面等离子体传感器,所述光电探测器用于实现弱光探测,可以为电荷耦合元件、光谱仪或光电倍增管。上述基于量子弱测量的表面等离子体传感器,可以先利用标准样品进行光路调节,以使光探测器接收到的光强最小。再以待测样品,在相同的光路条件下,利用光电探测器接收光强信号。随着样品的改变,样品折射率发生改变,最终接收到的反射光的振幅和相位也随之发生变化,将其变化量当做弱相互作用,利用量子弱测量的放大效应,实现样品折射率微小变化的测量。本专利技术进一步提供了利用上述基于量子弱测量的表面等离子体传感器测量金属表面介质折射率的方法,包括以下步骤:(1)调节所述表面等离子体传感器的光路,使棱镜反射出的光束偏振态与偏振态选择器设定的偏振态之间构成量子弱测量光路部分,两个偏振态之间的夹角为90°±△,△不大于5°,将待测样品放入样品耦合器中,由发光装置发出的光经偏振态制备器、棱镜入射到金属膜表面,由金属膜表面反射的光束经偏振态选择器后由光电探测器接收;通过光电探测器记录接收光束的光强I;(2)根据以下公式(i)得到从棱镜反射出的反射光束偏振态为:|ψ′〉|Rp|exp(iφp)cosα|H〉+|Rs|exp(iφs)sinα|V〉(i)其中,|Rp,s|是广义菲涅尔反射系数Rp,s沿水平方向H和垂直方向V的振幅,φp,s是广义菲涅尔反射系数Rp,s沿水平方向H和垂直方向V的相位,α为偏振态制备器光轴与水平方向之间的夹角;|H>为光束偏振态沿水平方向,|V>为光束偏振态沿垂直方向;其中,rp,s代表光束在棱镜-金属界面发生反射时的菲涅尔反射系数本文档来自技高网
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基于量子弱测量的表面等离子体共振传感器及金属表面介质折射率测量方法

【技术保护点】
一种基于量子弱测量的表面等离子体传感器,其特征在于包括发光装置、偏振态制备器、镀有金属膜的棱镜、样品耦合器、偏振态选择器和光电探测器,棱镜镀有金属膜的一面与样品耦合器中的样品接触;由发光装置发出的光束经偏振态制备器变成线偏振光、线偏振光经棱镜入射到棱镜‑金属膜‑样品界面,经界面反射形成椭圆偏振光或圆偏振光,椭圆偏振光或圆偏振光经偏振态选择器后由光电探测器接收;从棱镜反射出的光束偏振态与偏振态选择器设定的偏振态之间构成量子弱测量光路部分,两个偏振态之间的夹角为90°±△,△不大于5°。

【技术特征摘要】
2017.08.16 CN 20171070371951.一种基于量子弱测量的表面等离子体传感器,其特征在于包括发光装置、偏振态制备器、镀有金属膜的棱镜、样品耦合器、偏振态选择器和光电探测器,棱镜镀有金属膜的一面与样品耦合器中的样品接触;由发光装置发出的光束经偏振态制备器变成线偏振光、线偏振光经棱镜入射到棱镜-金属膜-样品界面,经界面反射形成椭圆偏振光或圆偏振光,椭圆偏振光或圆偏振光经偏振态选择器后由光电探测器接收;从棱镜反射出的光束偏振态与偏振态选择器设定的偏振态之间构成量子弱测量光路部分,两个偏振态之间的夹角为90°±△,△不大于5°。2.根据权利要求1所述基于量子弱测量的表面等离子体传感器,其特征在于入射到金属膜表面的入射角θ与金属/样品介质表面发生光学共振时的光束入射角θSPR之间的关系为θSPR-20°≤θ≤θSPR+20°。3.根据权利要求1所述基于量子弱测量的表面等离子体传感器,其特征在于所述发光装置包括光源发生器以及设置于光源发生器出射光路上的能量调节器;所述光源发生器为激光器、激光二极管、超辐射发光二极管、白光发生器、量子光源发生器;所述能量调节器为二分之一波片或中性衰减片。4.根据权利要求1所述基于量子弱测量的表面等离子体传感器,其特征在于所述偏振态制备器为偏振器或者偏振器与相位补偿系统的组合;所述偏振态选择器,为偏振器或者偏振器与相位补偿系统的组合;所述偏振器为格兰激光偏振棱镜或偏振分光镜;所述相位补偿系统为相位补偿器、四分之一波片、二分之一波片中的至少一种。5.根据权利要求4所述基于量子弱测量的表面等离子体传感器,其特征在于所述偏振态制备器的光轴与水平面所成夹角α满足:0<α≤20°。6.根据权利要求1所述基于量子弱测量的表面等离子体传感器,其特征在于所述光电探测器为电荷耦合元件、光谱仪或光电倍增管。7.利用权利要求1至6任一权利要求所述基于量子弱测量的表面等离子体传感器测量金属表面介质折射率的方法,其特征在于包括以下步骤:(1)调节所述表面等离子体传感器的光路,使棱镜反射出的光束偏振态与偏振态选择器设定的偏振态之间构成量子弱测量光路部分,两个偏振态之间的夹角为90°±△,△不大于5°,将待测样品放入样品耦合器中,由发光装置发出的光经偏振态制备器、棱镜入射到金属膜表面,由金属膜表面反射的光束经偏振态选择器后由光电探测器接收;通过光电探测器记录接收光束的光强I;(2)根据以下公式(i)得到从棱镜反射出的反射光束偏振态为:|ψ′>=|Rp|exp(iφp)cosα|H>+|Rs|exp(iφs)sinα|V>(i)其中,|Rp,s|是广义菲涅尔反射系数Rp,s沿水平方向H和垂直方向V的振幅,φp,s是广义菲涅尔反射系数Rp,s沿水平方向H和垂直方向V的相位,α为偏振态制备器光轴与水平方向之间的夹角;|H>为光束偏振态沿水平方向,|V>为光束偏振态沿垂直方向;

【专利技术属性】
技术研发人员:张志友邱晓东罗兰谢林果李兆雪刘雄
申请(专利权)人:四川大学
类型:发明
国别省市:四川,51

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