一种测量Fano共振传感器检测极限的装置制造方法及图纸

本实用新型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，本实用新型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。

A Device for Measuring the Detection Limit of Fano Resonance Sensor

【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
本技术涉及光学领域，具体涉及一种测量Fano共振传感器检测极限的装置。
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。本技术的有益效果是：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；用一个偏振器替代原有的两个偏振器，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，与传统方案相比，Fano共振传感器的检测极限有了显著地提高。附图说明为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本技术实施例结构示意图；图2是本技术实施例的第一偏振函数cosΔ随入射角度变化的曲线示意图；图3是本技术实施例的第二偏振函数tanψ随入射角度变化的曲线示意图；图4是本技术实施例的第一偏振函数cosΔ和第二偏振函数tanψ的噪声随入射角度变化的曲线示意图；图5是本技术实施例的第一偏振函数cosΔ的检测极限随波导层厚度变化的曲线示意图；图6是本技术实施例的第二偏振函数tanψ的检测极限随波导层厚度变化的曲线示意图。图7是本技术实施例的测量方法流程图。其中：1-激光器、2-准直物镜、3-偏振器、4-传感器、40-耦合棱镜、401-耦合棱镜入射面、402-耦合棱镜出射面、41-Au膜、410-Au膜反射面、42-Cytop膜、43-TiO2膜、44-传感介质、5-检偏器、6-聚焦物镜、7-光谱仪。具体实施方式为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本技术保护的范围。为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本技术实施方式作进一步地描述。如图1所示，本技术实施例提供了一种测量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1、准直物镜2、偏振器3、传感器4、检偏器5、聚焦物镜6和光谱仪7。所述传感器4从下到上依次包括耦合棱镜40、Au膜41、Cytop膜42、TiO2膜43和传感介质44，所述耦合棱镜40和Au膜41用于激发表面等离子体极化模式，所述Cytop膜42、TiO2膜43和传感介质44用于激发平面波导模式，表面等离子体极化模式和平面波导模式相互耦合产生Fano共振。所述激光器1输出激光经所述准直物镜2后输出平行光，所述平行光通过所述偏振器3后得到椭圆偏振光，所述椭圆偏振光照射到所述传感器4的所述耦合棱镜40上，透过耦合棱镜入射面401进入所述Au膜反射面410并被反射，经耦合棱镜出射面402后出射，由所述椭圆偏振光的p偏振分量与s偏振分量(当光以非垂直角度穿透光学元件的表面时，反射和透射特性均依赖于偏振现象，这种情况下，使用的坐标系是用含有输入和反射光的那个平面定义的，如果光的偏振矢量在这个平面内，则称为p偏振，如果光的偏振矢量垂直于这个平面，则称为s偏振)在所述传感器4里产生的相位差，同时在所述耦合棱镜40和Au膜41上激发表面等离子体共振模式，在所述Cytop膜42、TiO2膜43和传感介质44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Fano共振光谱的所述椭圆偏振光通过所述检偏器5后经所述聚焦物镜6聚焦，由所述光谱仪7接收以进行分析处理。优选的，所述传感器4为多层膜结构，所述耦合棱镜40为SF10棱镜。优选的，所述Cytop膜42的厚度为400-900nm，所述TiO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、TiO...

【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：新型
国别省市：湖北,42