一种基于金属薄膜SPR色散的图像化测量装置和测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于金属薄膜SPR(Surface Plasmon Resonance)色散的图像化测量装置和测量方法，实现宽光谱范围内金属薄膜复折射率的成像测量。其特征在于：采用连续谱白光光源，拓宽了光谱的测量范围；另一方面，利用透镜聚焦和光栅分光，将角度和波长在空间以正交的方向分开，由CCD探测光强，可以一次性获得所有波长和角度的SPR反射谱，从而一次性获得整条色散曲线，无需角度或波长扫描，极大地提高了信号获取的速度和光谱取样的精度。实现宽谱范围内的快速、非扫描图像化测量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于金属薄膜SPR色散的图像化测量装置和测量方法
本专利技术涉及测量金属薄膜复介电系数色散的
，具体涉及一种基于金属薄膜SPR色散的图像化测量装置和测量方法，本专利技术利用表面等离激元共振成像的图像化测量装置实现了一种可以对金属薄膜复介电系数在可见光光谱范围内一次性测量的方法。
技术介绍
自由电子与光波电磁场耦合形成的表面等离激元共振(SurfacePlasmonResonance,SPR)，是金属独特的光学性质之一，基于此发展起来的表面等离激元光学(Plasmonics)已经广泛地影响了集成光电子领域、非线性光学、生物学和分子学等领域。金属的光学性质取决于它的光学介电系数。与透明电介质不同，金属的介电系数通常是复数，相应地，其光学折射折射率也需要用复折射率来描述。在可见光频段，贵金属(如，金、银等)的复介电系数的实部是一个较大的负数，这也是表面等离激元共振能够存在的必要条件。一般地，金属薄膜的复电系数与其体材料下的值不同，而且不同工艺条件制备的薄膜的复介电系数也会有所不同，此外，金属的复介电系数对波长具有强烈的依赖，表现出强的色散特性。因此，金属薄膜的复介电系数色散的测量是表面等离激元光学中的一个重要的基本实验技术。早在1900年Drude就提出研究金属介电系数的Drude模型以解释电子在导体中的输运性质。通过求解电场中的电子运动方程，从而得到电流密度、电导率、介电系数等参数的色散关系。1972年J.E.Nestell,Jr.和R.W.Christy利用倾斜入射薄膜材料的方法实现对金属介电系数的测量(DerivationofOpticalConstantsofMetalsfromThin-FilmMeasurementsatObliqueIncidence,AppliedOptics,Vol.11,Issue3,pp.643-6511972)：将光倾斜入射到薄金属-介质界面，测量反射率与透射率，进而利用菲涅尔公式拟合出介电系数与反射—透射率在不同入射角下的等高线，计算出介电系数的值。但是其测量精度依赖于入射角的大小，只有在特定的入射角范围内的测量才相对准确。1981年WPChen利用双波长法对金属介电常数及膜厚度进行测量(Useofsurfaceplasmawavesfordeterminationofthethicknessandopticalconstantsofthinmetallicfilms,Vol.71,No.2/February1981/J.Opt.Soc.Am.189)：使用Kretschmann衰减全反射结构(AttenuatedTotalReflectance,ATR)，对两束不同波长的激光分别进行角度扫描，得到两幅ATR曲线，提取其中的共振角，半高宽及反射率的最小值信息，其中半高宽为反射率取最大值与最小值均值时的角宽度，利用方程组求出金属介电常数及膜厚度，由于一个波长会解出两组结果，因此需要双波长测量，取接近的作为最终解。这种方法将反射率随入射角的改变用一条曲线表示出来，有效避免了测量精度对入射角的依赖。但是半高宽的测量误差对结果会产生较大的影响。在此基础上，Jin-JungChyou等人对双波长法测量金属介电常数及膜厚度的数值分析方法做出改进(Precisedeterminationofthedielectricconstantandthicknessofananolayerbyuseofsurfaceplasmonresonancesensingandmultiexperimentlineardataanalysis,AppliedOptics,Vol.45,Issue23,pp.6038-60442006)：利用Kretschmann衰减全反射结构测量两种波长下反射率随入射角的变化曲线图，得到共振角，半高宽，及反射率的最小值，利用方程组解出本证衰减及辐射衰减的虚部，并将辐射衰减的实部的初值设为0，进而求得介电常数与膜厚度的初值，再利用介电常数与膜厚得到新的辐射衰减的实部，重复之前的过程，直到相邻两次得到的辐射衰减的实部的差值收敛到最小值。这种方法大大提高了测量的准确性，但是仅仅局限于单一波长的测量。黄妍等人对光路做出改进，提出一种宽谱测量方法(Thedeterminationofthethicknessandtheopticaldispersionpropertyofgoldfilmusingspectroscopyofasurfaceplasmoninthefrequencydomain,Chin.Phys.BVol.22,No.2,2013,027301)：将Kretschmann衰减全反射结构中的激光光源替换为卤素灯光源，光强探测器替换为光谱仪，这样就可以只扫描一次角度而得到一个宽谱范围内的ATR曲线，最终介电常数及膜厚度由多条ATR曲线给出，提高了测量的准确性及效率。但是由于工作量比较大，并且角度的扫描步长只有0.1°，测量不够精细，实际测量的波长数量有限，只提取了537.12nm–905.52nm之间的50个波长。以上方法都以ATR扫描角度为基础，平台转动与光强探测器的不稳定性带的误差难以避免。针对这种不足，ColinJ.Alleyne设计了一套图像化测量系统(Numericalmethodforhighaccuracyindexofrefractionestimationforspectro-angularsurfaceplasmonresonancesystems,OpticsExpress,Vol.16Issue24,pp.19493-19503,2008)，并实现了实时的生物传感测量(Analysisofsurfaceplasmonspectro-angularreflectancespectrum:real-timemeasurement,resolutionlimits,andapplicationstobiosensing,OpticsLetters,Vol.36Issue1,pp.46-482011)。这里，我们基于SPR色散的图像化测量系统和改进的信号处理方法，专利技术了一种金属薄膜复介电系数的宽光谱范围测量的新方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于实现对贵金属纳米薄膜复介电系数色散的快速、准确测量。本专利技术提供的基于金属薄膜SPR色散的图像化测量装置和测量方法实现了在宽的光谱范围内对金属薄膜复折射率的一次性成像测量。该方法具有非扫描、测量速度快、测量光谱范围宽、光谱采样率高等特点。本专利技术采用的技术方案如下：一种基于金属薄膜SPR色散的图像化测量装置，该装置包括：溴钨灯光源、准直系统、第一分束镜、固体激光器、He-Ne激光器、第二分束镜、扩束系统、偏振片、第一柱透镜、棱镜、第二柱透镜、闪耀光栅、第三柱透镜和CCD；其中，第一柱透镜、棱镜、第二柱透镜、闪耀光栅、第三柱透镜和CCD组成测量系统；溴钨灯光源出射的白光经过准直系统变为白光平行光，固体激光器出射的光束与He-Ne激光器出射的光束经过第二分束镜后合为一束光，再由扩束系统扩束后经过第一分束镜，与白光平行光合为一束后经过偏振片变为TM偏振光，之后经过第一柱透镜后聚焦到镀有待测金属膜的棱镜本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于金属薄膜SPR色散的图像化测量装置，其特征在于：该装置包括：溴钨灯光源(1)、准直系统(2)、第一分束镜(3)、固体激光器(4)、He‑Ne激光器(5)、第二分束镜(6)、扩束系统(7)、偏振片(8)、第一柱透镜(10)、棱镜(11)、第二柱透镜(12)、闪耀光栅(13)、第三柱透镜(14)和CCD(15)；其中，第一柱透镜(10)、棱镜(11)、第二柱透镜(12)、闪耀光栅(13)、第三柱透镜(14)和CCD(15)组成测量系统(9)；溴钨灯光源(1)出射的白光经过准直系统(2)变为白光平行光，固体激光器(4)出射的光束与He‑Ne激光器(5)出射的光束经过第二分束镜(6)后合为一束光，再由扩束系统(7)扩束后经过第一分束镜(3)，与白光平行光合为一束后经过偏振片(8)变为TM偏振光，之后经过第一柱透镜(10)后聚焦到镀有待测金属膜的棱镜(11)表面，产生一定的入射角范围，光束经过棱镜表面反射后经过第二柱透镜(12)还原为平行光，第二柱透镜(12)与第一柱透镜(10)焦距相等；从第二柱透镜(12)出射的光束入射到闪耀光栅(13)表面，光栅的刻线方向与偏振方向平行；光栅将不同波长的光以不同的衍射角在空间分开后经过第三柱透镜(14)聚焦，用CCD(15)在后焦面接收图像；最终由CCD(15)采集到一张反射光强的角度、波长依赖图像。...

【技术特征摘要】
1.一种基于金属薄膜SPR色散的图像化测量装置，其特征在于：该装置包括：溴钨灯光源(1)、准直系统(2)、第一分束镜(3)、固体激光器(4)、He-Ne激光器(5)、第二分束镜(6)、扩束系统(7)、偏振片(8)、第一柱透镜(10)、棱镜(11)、第二柱透镜(12)、闪耀光栅(13)、第三柱透镜(14)和CCD(15)；其中，第一柱透镜(10)、棱镜(11)、第二柱透镜(12)、闪耀光栅(13)、第三柱透镜(14)和CCD(15)组成测量系统(9)；溴钨灯光源(1)出射的白光经过准直系统(2)变为白光平行光，固体激光器(4)出射的光束与He-Ne激光器(5)出射的光束经过第二分束镜(6)后合为一束光，再由扩束系统(7)扩束后经过第一分束镜(3)，与白光平行光合为一束后经过偏振片(8)变为TM偏振光，之后经过第一柱透镜(10)后聚焦到镀有待测金属膜的棱镜(11)表面，产生一定的入射角范围，光束经过棱镜表面反射后经过第二柱透镜(12)还原为平行光，第二柱透镜(12)与第一柱透镜(10)焦距相等；从第二柱透镜(12)出射的光束入射到闪耀光栅(13)表面，光栅的刻线方向与偏振方向平行；光栅将不同波长的光以不同的衍射角在空间分开后经过第三柱透镜(14)聚焦，用CCD(15)在后焦面接收图像；最终由CCD(15)采集到一张反射光强的角度、波长依赖图像。2.一种如权利要求1所述的一种基于金属薄膜SPR色散的图像化测量装置，其特征在于：将预先记录的无银膜时的色散图像作为背景扣除，并进行定标及归一化后得到角度—波长—光强反射率的SPR色散图像。3.一种如权利要求1或2所述的一种基于金属薄膜SPR色散的图像化测量装置，其特征在于：该装置利用第一柱透镜(10)聚焦和闪耀光栅(13)分光，将角度和波长在空间以正交的方向分开，用CCD(15)探测反射光强，得到角度、波长依赖的SPR色散曲线。4.一种如权利要求1或2所述的一种基于金属薄膜SPR色散的图像化测量装置，其特征在于：利用光栅方程及位置方程，获得...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷欣瑞，鲁拥华，王沛，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34