一种基于抛物面反光镜的简化棱镜SPR激发装置的制作方法

本发明涉及表面等离体子光学设计领域，具体涉及一种利用抛物面反光镜简化表面等离子体共振（surfaceplasmonresonance,spr）的棱镜激发装置。

背景技术：

众所周知，当光入射到镀有金属薄层的棱镜表面时，在入射角度大于全反射临界角度时，光会发生全反射，从而在棱镜表面引起消逝波。产生的消逝波与金属表面自由电子振荡发生耦合，即发生所谓的表面等离子体共振（spr）。由于spr传播波的高束缚和高损耗特性，spr波不会再耦合至棱镜，从而反射光谱出现一个波谷。由于spr模式特性对外界环境变化非常敏感，所以当金属薄膜局部物质特性发生改变时，光谱波谷会发生移动，因此，人们可通过光谱波谷移动的大小推知检测外界物质的反应变化。

近年来，基于棱镜耦合的spr传感器的研究一直是个热门课题，其传感检测性能十分优越，但是由于角度调制需要旋转棱镜或者激光器，导致装置体积大，测量操作复杂和价格昂贵等一系列缺点。例如，已报道的一种高性能spr物体折射率传感装置[见中国专利cn206223648u]和无可动部件的多通道角度调制型spr传感器检测系统[见中国专利cn203132991u]。专利cn203132991u中，虽然不需要进行角度调制，但增加了多组光学透镜，因此对光路的严密性和精确性有着非常苛刻的要求。

技术实现要素：

本发明本着简化棱镜spr传感装置目的，提出利用抛物面反光镜来提高角度调节的操作灵活性，从而改变了传统角度调制的方式，具备制作工艺简单，操作灵活性高和低成本等优点。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案实现。

一种利用抛物面反光镜简化表面等离子体共振的棱镜激发装置包括：偏振激光光源（1），抛物面反射镜（2），棱镜（3），金属薄膜（4），电荷耦合器件检测器ccd（5），支架（6）。如图1所示，偏振激光光源1发出的光经过抛物面反射镜2反射到棱镜3上，棱镜3底面蒸镀有能够激发spr的金属薄层4，当满足spr激发条件时，入射光转化为spr模式，即入射光能量转变为金属的焦耳热，从而引起棱镜3反射光强度发生变化，棱镜3反射光强由阵列或大面阵电荷耦合器件检测器（ccd）5检测，偏振光源1和ccd5安装于支架6上，且均可上下移动位置。

本发明中光源（1）为可以上下移动的偏振光源，通过上下移动光源，可实现角度调制，具备更高的操作灵活性。

本发明中反射镜（2）采用抛物面反光镜的目的是把平行光束聚焦反射至棱镜，从而将传统的旋转棱镜或者光源改为更为简便的上下移动光源，增加了测量操作的灵活性。

本发明中棱镜（3）须放在抛物面反射镜的焦点处，以保证光源在上下移动的时候，能够将光源发出的光线聚焦照射到棱镜的底面上，同时大大降低了入射点的位置漂移。

本发明大大地降低了传统spr角度调制装置的复杂性，由传统的旋转棱镜或偏振光源改为灵活地上下移动偏振光源来实现角度调制，本发明可以根据偏振光源上下移动刻度的位置坐标作参考，结合抛物面曲线方程推出spr共振角与偏振光源垂直位置的关系。

附图说明

图1为基于抛物面反光镜的表面等离子体棱镜激发装置。

图2为装置整体光路传播示意图。

图3为三棱镜光路传播示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进完整地描述。

如图1，本发明所提出的简化棱镜spr激发装置包括：偏振激光光源（1），抛物面反射镜（2），棱镜（3），金属薄膜（4），电荷耦合器件检测器ccd（5），支架6。偏振激光光源1发出的光经过抛物面反射镜2反射到棱镜3上，棱镜3底面蒸镀有能够激发spr的金属薄层4，当满足spr激发条件时，入射光转化为spr模式，即入射光能量转变为金属的焦耳热，从而引起棱镜3反射光强度发生变化，棱镜3的反射光强由阵列或大面阵ccd5检测。

本发明工作原理：偏振光源发射的光通过抛物面反射镜反射至底面镀有金属薄层的棱镜上，通过调节偏振光源的上下移动来改变入射角度大小，当入射角为某一特定角度时，光波与金属薄膜表面振荡的自由电子发生共振，光波转换为spr波，此时，ccd便检测到棱镜反射光强的改变。另外，根据偏振光源上下移动的位置坐标，结合抛物面曲线方程，可以推出spr共振角与偏振光源垂直位置的关系。下面将结合图2和图3推算出spr共振角与偏振光源垂直位置的关系。

如图2，假设当光源高度为h时，发生表面等离子体共振，此时共振角为a，空气折射率为n1,棱镜材质折射率为n2。

以顶角为i的等腰三棱镜为例：设抛物面对应的抛物线方程为y²=2px，则抛物面上入射点n的坐标为（h²/2p,h），点n的切线斜率为p/h，法线(l)斜率为-h/p。

根据几何三角关系，角度b,c和d可以分别表达为以下公式。

,,。

∵。

∴。

如图3所示，角度f,b和d满足：f=b–d。

则。

对于实际装置而言，参数n1,n2,p和i均已知，显而易见，spr共振角a的大小将由光源垂直高度h直接决定。