一种测量Fano共振传感器检测极限的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种测量Fano共振传感器检测极限的装置及方法，装置包括激光器、准直物镜、偏振器、传感器、检偏器、聚焦物镜和光谱仪，所述传感器包括耦合棱镜、Au膜、Cytop膜、TiO2膜和传感介质。相对于其它的偏振测量装置，本发明专利技术采用表面等离子体极化模式，以及在多层介质中形成的平面波导模式耦合产生Fano共振，进一步提升等离子体传感器的检测极限；用一个偏振器代替原来两个偏振器，结构更为简单，更重要的是，采用一种测量Fano共振传感器的方法分析反射光的偏振作用，用偏振函数取代传统的反射光强度检测，Fano共振传感器的检测极限有了显著地提高。

【技术实现步骤摘要】
一种测量Fano共振传感器检测极限的装置及方法
本专利技术涉及光学领域，具体涉及一种测量Fano共振传感器检测极限的装置及方法。
技术介绍
表面等离子体共振(SurfacePlasmaResonance，简写为SPR)是一种光学物理现象，当入射光的平行波矢量与表面等离子体的传播常数相匹配时，金属表面的自由电子能共振和吸收光能，从而导致反射光线的急剧衰减。SPR传感技术具有基于方便检测、灵敏度高和实时的优点，被广泛应用于化学和生物分子检测。然而金属引起的插入损耗，导致SPR传感器的共振峰过宽，因此限制了SPR传感器的检测精度。在金属介质界面上产生的表面等离子体极化(SPP)模式，以及在介质多层中形成的平面波导模式(PWG)，通过衰减场的相互叠加作用可以产生Fano共振。基于Fano共振的传感器同样可以通过监测反射曲线的变化或共振的位置测量传感介质的折射率变化，以检测化学和生物分子的变化。相比于传统的SPR传感器，基于Fano共振的传感器拥有更加尖锐的共振峰，从而获得更高的精确度和更低的检测极限。但是由于微型和低成本光谱仪的可用性，大多基于Fano共振的传感器主要集中在强度检测上。然而，相位检测相比于强度检测能够提供更低的检测极限。与传统的SPR相似，在Fano共振附近也有一个剧烈的相变，这为利用Fano共振的相位信息优化检测极限提供了可能。相位信息的检测，主要是基于干涉测量法，光学外差和偏振测量法。其中，采用偏振测量法要简单得多，通过对不同偏振角的反射强度进行测量，相位信息可以通过信号处理后获得。但是相位信息仍然需要通过测量光强度获得，它们对入射光的强度噪声非常敏感，从而影响了传感器的检测极限；而且入射光的强度需要通过两个偏振器来控制，测量装置较复杂。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种测量Fano共振传感器检测极限的装置，仅采用一个偏振器替代原有的两个偏振器，因此装置更加简单；且基于Fano共振，相比于表面等离子体共振传感器，能获得更尖锐的共振峰，从而提升了传感器的性能；用偏振函数替代传统的反射光强度检测，具有更低的检测极限。为实现上述目的，本专利技术采用了一种技术方案：一种测量Fano共振传感器检测极限的装置，沿光传播方向上依次包括：激光器、准直物镜、偏振器、传感器、检偏器、聚焦物镜和光谱仪，所述传感器从下到上依次包括耦合棱镜、Au膜、Cytop膜、TiO2膜和传感介质。所述激光器输出激光经所述准直物镜后输出平行光，所述平行光通过所述偏振器后得到椭圆偏振光，所述椭圆偏振光照射到所述传感器的所述耦合棱镜上，透过耦合棱镜入射面进入所述Au膜反射面并被反射，经耦合棱镜出射面后出射，由所述椭圆偏振光的p偏振与s偏振分量在所述传感器里产生相位差，同时在所述耦合棱镜和Au膜上激发表面等离子体共振模式，在所述Cytop膜、TiO2膜和传感介质激发平面波导模式，表面等离子体共振模式和平面波导模式耦合产生Fano共振光谱，包含所述Fano共振光谱的椭圆偏振光通过所述检偏器后经所述聚焦物镜聚焦，由所述光谱仪接收以进行分析处理。进一步地，所述耦合棱镜为SF10棱镜，所述激光器采用波长为632.8nm的He-Ne激光器。进一步地，所述Cytop膜的厚度为400-900nm，所述TiO2膜的厚度为60-130nm。进一步地，所述Au膜的厚度为50nm。为实现上述目的，本专利技术采用了另一种技术方案：一种测量Fano共振传感器检测极限的方法，利用所述一种Fano共振传感器检测极限的装置进行测量，具体包括以下步骤：步骤1：设定所述耦合棱镜入射面的入射角范围为0-90°，所述激光器的输出光在所述入射角范围内以某一角度入射，以所述激光器输出光的p偏振分量为轴将所述偏振器旋转B度,所述光谱仪接收输出光信号；步骤2：基于步骤1中所述光谱仪接收的输出光信号，得到所述检偏器输出光信号强度；步骤3：基于步骤1中以所述偏振器的偏振方向为轴，将所述检偏器分别旋转a、b或c度，在所述入射角范围内旋转所述激光器改变所述耦合棱镜入射面的入射光的入射角，基于步骤2得到分别对应的所述检偏器输出光信号强度Ia、IB或Ic；步骤4：基于步骤3中的三个方向的输出光信号强度Ia，Ib和Ic，计算得到第一偏振函数cosΔ和第二偏振函数tanψ；步骤5：基于步骤4中所述第一偏振函数cosΔ和第二偏振函数tanψ，计算得到Fano共振传感器检测极限<Δn>min。进一步地，所述步骤2具体包括：基于步骤1所述光谱仪接收的输出光信号，基于步骤1所述光谱仪接收的输出光信号，通过琼斯微积分来表示完全偏振光的偏振状态，获得所述检偏器输出光信号强度I为：其中，I0为所述激光器的输出光强度，A是所述检偏器与所述偏振器的偏振方向相关的旋转角，Δ为p与s偏振分量的相位差，ψ为所述传感器的出射光与偏振椭圆长轴的夹角；进一步地，所述步骤3具体包括：所述检偏器的旋转角A分别为a、b、c时的输出光信号强度为Ia，Ib和Ic，通过公式(2)、(3)和(4)分别表示：其中，cosΔ为第一偏振函数，tanψ为第二偏振函数；进一步地，所述步骤4具体包括以下步骤：步骤401：基于步骤3得到的三个方向的输出光信号强度Ia，Ib和Ic，计算所述第二偏振函数tanψ：步骤402：基于步骤3得到的三个方向的输出光信号强度Ia，Ib，Ic和第二偏振函数，计算所述第一偏振函数cosΔ：进一步地，所述步骤5具体包括以下步骤：步骤501：基于步骤4得到所述第一偏振函数cosΔ，计算所述第一偏振函数cosΔ的噪声<ΔcosΔ>min：考虑到探测强度波动和检偏器旋转精度的影响，所述第一偏振函数cosΔ的噪声<ΔcosΔ>min通过公式(7)计算：其中，ΔI为检测光信号强度的波动，ΔA为所述检偏器旋转相位的精确度，<ΔcosΔ>min为所述第一偏振函数cosΔ的噪声，<ΔA|A＝-a>min,,<ΔA|A＝b>min,和<ΔA|A＝c>min为三个旋转方向上所述检偏器旋转精度的噪声值,<ΔIa>min,<ΔIb>min,和<ΔIc>min为所述偏振器和检偏器之间三个方向的平均噪声值，步骤502：基于步骤4得到所述第二偏振函数tanψ，计算所述第二偏振函数tanψ的噪声<Δtanψ>min：步骤503：基于步骤501和502的计算结果，计算所述第一偏振函数cosΔ和第二偏振函数tanψ的检测极限<Δn>min：其中，FOM为测量光谱中所述偏振函数的品质因数，Ymax和Ymin是测量光谱中所述偏振函数的最大和最小值，<ΔY>min是所述偏振函数的噪声值；所述品质因数FOM通过公式(10)描述：其中，SL为所述偏振函数极值点附近的斜率，Sθ是所述偏振函数极值点的角灵敏度。进一步地，所述和在a＝-45°、b＝0°、c＝45°时分别由公式(11)，(12)，(13)，(14)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种测量Fano共振传感器检测极限的装置，其特征在于：所述测量Fano共振传感器检测极限的装置沿光传播方向上依次包括：激光器、准直物镜、偏振器、传感器、检偏器、聚焦物镜和光谱仪，所述传感器从下到上依次包括耦合棱镜、Au膜、Cytop膜、TiO2膜和传感介质；所述激光器输出激光经所述准直物镜后输出平行光，所述平行光通过所述偏振器后得到椭圆偏振光，所述椭圆偏振光照射到所述传感器的所述耦合棱镜上，透过耦合棱镜入射面进入所述Au膜反射面并被反射，经耦合棱镜出射面后出射，由所述椭圆偏振光的p偏振与s偏振分量在所述传感器里产生相位差，同时在所述耦合棱镜和Au膜上激发表面等离子体共振模式，在所述Cytop膜、TiO2膜和传感介质激发平面波导模式，表面等离子体共振模式和平面波导模式耦合产生Fano共振光谱，包含所述Fano共振光谱的椭圆偏振光通过所述检偏器后经所述聚焦物镜聚焦，由所述光谱仪接收以进行分析处理。

【技术特征摘要】
1.一种测量Fano共振传感器检测极限的装置，其特征在于：所述测量Fano共振传感器检测极限的装置沿光传播方向上依次包括：激光器、准直物镜、偏振器、传感器、检偏器、聚焦物镜和光谱仪，所述传感器从下到上依次包括耦合棱镜、Au膜、Cytop膜、TiO2膜和传感介质；所述激光器输出激光经所述准直物镜后输出平行光，所述平行光通过所述偏振器后得到椭圆偏振光，所述椭圆偏振光照射到所述传感器的所述耦合棱镜上，透过耦合棱镜入射面进入所述Au膜反射面并被反射，经耦合棱镜出射面后出射，由所述椭圆偏振光的p偏振与s偏振分量在所述传感器里产生相位差，同时在所述耦合棱镜和Au膜上激发表面等离子体共振模式，在所述Cytop膜、TiO2膜和传感介质激发平面波导模式，表面等离子体共振模式和平面波导模式耦合产生Fano共振光谱，包含所述Fano共振光谱的椭圆偏振光通过所述检偏器后经所述聚焦物镜聚焦，由所述光谱仪接收以进行分析处理。2.根据权利要求1所述的测量Fano共振传感器检测极限的装置，其特征在于：所述耦合棱镜为SF10棱镜，所述激光器采用波长为632.8nm的He-Ne激光器。3.根据权利要求1所述的测量Fano共振传感器检测极限的装置，其特征在于：所述Cytop膜的厚度为400-900nm，所述TiO2膜的厚度为60-130nm。4.根据权利要求1所述的测量Fano共振传感器检测极限的装置，其特征在于：所述Au膜的厚度为50nm。5.一种测量Fano共振传感器检测极限的方法，利用权利要求1所述的Fano共振传感器检测极限的装置进行测量，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：设定所述耦合棱镜入射面的入射角范围为0-90°，所述激光器的输出光在所述入射角范围内以某一角度入射，以所述激光器输出光的p偏振分量为轴将所述偏振器旋转B度,所述光谱仪接收输出光信号；步骤2：基于步骤1中所述光谱仪接收的输出光信号，得到所述检偏器输出光信号强度；步骤3：基于步骤1中以所述偏振器的偏振方向为轴，将所述检偏器分别旋转a、b或c度，在所述入射角范围内旋转所述激光器改变所述耦合棱镜入射面的入射光的入射角，基于步骤2得到分别对应的所述检偏器输出光信号强度Ia、IB或Ic；步骤4：基于步骤3中的三个方向的输出光信号强度Ia，Ib和Ic，计算得到第一偏振函数cosΔ和第二偏振函数tanψ；步骤5：基于步骤4中所述第一偏振函数cosΔ和第二偏振函数tanψ，计算得到Fano共振传感器检测极限<Δn>min。6.根据权利要求5所述的测量Fano共振传感器检测极限的方法，其特征在于：所述步骤2具体包括：基于步骤1所述光谱仪接收的输出光信号，通过琼斯微积分来表示完全偏振光的偏振状态，获得所述检偏器输出光信号强度I为：其中，I0为所述激光器的输出光强度，A是所述检偏器与所述偏振器的偏振方向相关的旋转角，Δ为p与s偏振分量的相位差，ψ...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄田野，赵翔，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：湖北,42