一种古斯汉欣位移spr高灵敏度介质折射率检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于基于表面等离子体共振（surface plasmon resonance(SPR))效应 测量介质折射率的技术，特别是一种基于测量古斯汉欣位移（Goos-Hinehen shift(GH shift)) SPR高灵敏度介质折射率检测方法。
【背景技术】
[0002] 表面等离子体共振（SPR)效应作为一种发生在金属与电介质界面的物理光学现 象，它对环境介质折射率变化非常敏感。目前，基于SPR效应的传感器结构已被广泛应用于 液态物质检测技术，如生化、环保监测、药品研制和食品安全等领域，并在基因突变的检测、 生物分子反应动力学测定以及工业废水废气监控等取得重大进展。基于SPR的棱镜型传感 器检测分析方法有4种：
[0003] (1)角度调制法，即单色光入射，改变入射角，检测反射光的归一化强度随入射角 的变化情况，并记录反射光强度最小时的入射角，也就是共振角；
[0004] (2)波长调制法，即复色光入射，固定入射角而对反射光的光谱进行分析，得到反 射率随波长的变化曲线，并记录共振波长；
[0005] (3)强度调制法，即入射光的角度和波长都固定，通过检测反射光强度的变化分析 折射率的变化；
[0006] (4)相位调制法，即入射光的角度和波长都固定，观测入射光与反射光的相位差。
[0007] 在这4种方法中，角度调制法需要昂贵的精密角度转动装置和控制系统； 波长调制法需要复色光和昂贵的光谱分析装置；相位调制法需要一系列高频电路，这 就使得它们的应用受到限制；强度调制法由于光源强度的波动以及光电接收器和放 大电路存在着直流漂移，其测量精度会受到很大的限制。文献[YANG Xia0-Yan，LIU De-Ming, XIE ffen-Chong, LI Chun-Fang. High-sensitivity sensor based on surface plasmon resonance enhanced lateral beam displacements. Chin. Phys. Lett. ,2007,24(2):458-461]是一种基于克莱切曼（Kretschmann)结构的测量古斯汉欣位 移的新型棱镜SPR传感方法。这种传感方法不具有使一束入射的测量光能两次激励SPR并 两次增强古斯汉欣位移（GH shift)，从而能进一步提高系统的测试分辨率（或灵敏度）。总 之，该文献提出的方法在进一步提高系统的测量分辨率（或灵敏度）方面存在不足。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是克服现有基于测量古斯汉欣位移的棱镜SPR技术的不足，提供一 种提高系统测量分辨率（或灵敏度）的古斯汉欣位移SPR高灵敏度介质折射率检测方法。
[0009] 本发明的技术方案是：
[0010] -种古斯汉欣位移SPR高灵敏度介质折射率检测方法，采用由半导体激光器电源 与带尾光纤的半导体激光器构成的激光发射装置、光开关、偏振光分束器及平行入射面振 荡的偏振光波全反射装置、激励表面等离子体共振并增强古斯汉欣位移装置、光电转换、信 号放大和数据处理装置，通过实验得到标准介质所对应的古斯汉欣位移，采用数据处理装 置对所测介质与标准介质所对应的古斯-汉欣位移进行比较处理，得到被测介质的折射 率；其特征在于：所述的激励表面等离子体共振并增强古斯汉欣位移装置是一束入射光两 次激励表面等离子体共振并两次增强古斯汉欣位移装置，所述的一束入射光两次激励表面 等离子体共振并两次增强古斯汉欣位移装置包含四边棱镜、金属薄膜及待测量介质构成的 克莱切曼结构和全反射装置；其中：
[0011] 鲁所述的偏振光分束器及平行入射面振荡的偏振光波全反射装置包含偏振光分 光膜、平行入射面振荡的偏振光波全反射膜和两个直角棱镜；
[0012] 鲁所述的光开关包含输入光纤、传感光支路光纤准直器、参考光支路光纤准直器， 输入光纤与带尾光纤的半导体激光器之间通过光纤连接器连接；
[0013] 鲁所述的光电转换、信号放大和数据处理装置包含光电位置传感器、电流电压转 换器、差动放大电路和数据处理装置；
[0014] 鲁由半导体激光器发出的激光束经光开关后变为参考光与传感光；
[0015] 参考光经光纤准直器到达偏振光分束器及平行入射面振荡的偏振光波全反射装 置，经偏振光分光膜后，平行入射面振荡的偏振光波直接入射到光电位置传感器上产生参 考光电流1"与I n，该电流提供基准位移，即称零点位移；
[0016] 传感光束经光纤准直器到达偏振光分束器及平行入射面振荡的偏振光波全反射 装置，经偏振光分光膜后，平行入射面振荡的偏振光波垂直激励表面等离子体共振并增强 古斯汉欣位移装置的四边棱镜的第一工作面到达其底部，在底部金属薄膜与待测介质界面 上第一次激励表面等离子体共振，并首次增强古斯汉欣位移，之后，反射光到达全反射装 置，经全反射直角棱镜两次全反射后，以入射角（γ)进入激励表面等离子体共振并增强古 斯汉欣位移装置的四边棱镜的第二工作面到达其底部，并在金属薄膜与待测介质界面上第 二次激励表面等离子体共振，并再次增强古斯汉欣位移；
[0017] 经过两次激励表面等离子体共振并两次增强古斯汉欣位移后的反射光，再次到达 偏振光分束器及平行入射面振荡的偏振光波全反射装置被全反射薄膜反射到光电位置传 感器上产生传感光电流^与I 1;
[0018] 传感光电流与参考光电流分别经电流电压转换器转换为电压后分时经过差动放 大电路放大，到达数据处理装置完成数据处理。
[0019] 所述的数据处理装置提供光开关的控制信号；数据处理装置处理数据的主要运算 之一是求参考光支路电流I niUn对应的电压V"、1之差与传感光支路电流I k、I1对应的电压 vk、V1 之差的比值 S，即：S= [(Vni-VnV(Vk-V1)L
[0020] 本发明与现有技术相比较，具有突出的实质性特点和显著的效果是：
[0021] 所述的激励SPR并增强古斯汉欣位移装置是一束入射光两次激励SPR并两次增强 古斯汉欣位移装置；所述的一束入射光两次激励SPR并两次增强古斯-汉欣位移装置是由 四边棱镜、金属薄膜及待测量介质构成的克莱切曼结构和全反射装置组成；减少了 TM偏振 光波的能量损耗，可两次极大地增强古斯汉欣位移，高效利用了 TM偏振光波，从而提高了 系统的测量分辨率（或灵敏度）。
【附图说明】
[0022] 图1是一种古斯汉欣位移SPR高灵敏度介质折射率检测方法的原理示意图；
[0023] 图2是一束入射光两次激励SPR并两次增强古斯汉欣位移结构示意图；
[0024] 图3是偏振光分束器及平行入射面振荡的偏振光波反射装置结构示意图；
[0025] 图4是两次增强古斯汉欣位移与入射角度的关系曲线图；
[0026] 图5为数据处理装置控制和数据处理流程图。
[0027] 图中：半导体激光器电源1、半导体激光器2、光开关3、传感光支路光纤准直器4、 参考光支路光纤准直器5、由直角棱镜60UPBS分光膜602、直角棱镜603、平行入射面振荡 (TM)光全反射膜604、四边棱镜701、金属薄膜702、测量液体介质703、全反射装置8、光电 位置传感器9、电流电压转换器10、差动放大器11和数