一种微结构色散曲线的实时测量装置及方法

本发明涉及纳米光子学以及微结构特性表征领域，尤其涉及一种微结构色散曲线的实时测量装置及方法。

背景技术：

1、在生物传感应用中，已经有多种方法来实现高灵敏的传感。科研人员综合生物、化学、物理、医学、电子技术等多学科知识以多种技术实现了诸多生物传感应用，其方法包括电化学、阻抗测量、图像传感等等。而利用表面波来实现传感已经成为一种越来越重要的手段，是实现高灵敏生物传感的最广泛使用的方法之一。特别是在活体生物样品的监测中，表面波传感凭借其高灵敏度以及结构表面可功能化以捕捉靶分子以及实时无标记测量的能力，在细胞亚组分检测领域及医学诊断和环境监测领域中应用广泛。此外，在微结构特性表征领域，由于表面波耦合激发不仅取决于结构材料的折射率，还取决于其各层厚度，因此表面波传感在薄膜沉积方法的发展、合适的生物材料和多层结构的设计等方向也有重要的应用前景。而上述基于微结构和表面波的研究都可以通过微结构的色散曲线的观测与分析得到对应的结果。

2、微结构的色散曲线，一般表征了光与物质作用过程中，光的频率与光的传输常数之间的关系，其也可以通过不同波长与耦合角度间的关系来体现。因此色散曲线在多种光与物质相互作用的研究中具有重要意义。如今，比较成熟的方法包括基于表面等离激元共振的色散曲线及传感测量，测量反射光的强度与入射角或波长的关系，通过扫描跟踪其产生的一维色散曲线的共振角或波长来提取样品的折射率等。还有方法可以同时获得波长和角度通道的完整色散曲线即波长-角谱表面等离激元共振图像方法，完整色散曲线相比于一维色散曲线的优势在于可以使用图像处理工具来提取关于样品折射率变化的信息。然而，现有技术存在一定的局限性。因此，上述方式主要存在的问题为：(1)需要精确的角度控制，一般利用高精度的扫描器件完成不同波长的角度扫描，以机械扫描的方式完成全角度测量，扫描误差大。此外仪器昂贵耗费时间长，角度控制代价高。(2)光谱采集范围小，受限于光路设计以及多模光纤等因素，现有技术在色散曲线采集时，单次测量范围有限，难以实施大范围、多光谱的测量。如果额外进行采集拼接，则需要额外的调整时间。(3)测量功能单一，一般色散曲线的测量装置只能用来完成色散曲线的测量，仪器的复用率低。(4)样品拓展性低，现有的色散曲线测量仪器仅仅为了测量某一结构的色散曲线，无法在结构表面进一步加载其他样品，完成生物活体等传感检测。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供了一种微结构色散曲线的实时测量装置及方法，测量方法方便快捷，无需复杂光学设备，可以瞬时采集测量微结构的色散曲线，同时可以兼顾光谱测量且扩展至现有光学显微系统的应用中。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种微结构色散曲线的实时测量装置，包括宽带光源、出射光纤、准直透镜、偏振片、前置柱透镜、棱镜、后置柱透镜、狭缝、成像透镜、反射光栅、cmos图像传感器，

4、待测微结构样品紧贴于所述棱镜上表面，所述准直透镜、偏振片、前置柱透镜沿入射光路依次设置，宽带光源经过出射光纤出射，依次经过准直透镜、偏振片、前置柱透镜聚焦后，以多角度会聚至棱镜表面，以不同角度入射的宽带光在棱镜上方的待测微结构样品上激发表面波，反射光被后置柱透镜准直并出射，出射光经过狭缝后被成像透镜聚焦并被反射光栅色散，从反射光栅反射的光信号再次经过成像透镜，被cmos图像传感器收集。

5、进一步地，所述偏振片依据待测微结构样品的材料和结构而设置具体位置和方向，以保证待测微结构样品表面能够激发表面波。

6、进一步地，所述成像透镜、狭缝之间距离满足成像关系，狭缝的像能够被记录于cmos图像传感器。

7、进一步地，所述棱镜上表面的斜边平行于水平面。

8、进一步地，所述待测微结构样品被生长于透明二氧化硅玻片上，且其厚度不超过5微米。

9、进一步地，所述的反射光栅和cmos图像传感器位于成像透镜两侧，且从狭缝出射光经过成像透镜两次，出射光经过狭缝后被成像透镜聚焦时光束经过成像透镜的中心偏左侧，从反射光栅反射的光信号再次经过成像透镜的中心偏右侧至cmos图像传感器。

10、进一步地，所述待测微结构样品为金属电介质多层膜或者光子晶体结构。

11、进一步地，所述的待测微结构样品通过折射率匹配油紧密贴合于棱镜上表面。

12、根据上述的微结构色散曲线的实时测量装置的测定方法，包括以下步骤：

13、步骤一：宽带光源经过出射光纤出射，依次经过准直透镜准直、偏振片选择合适的偏振、前置柱透镜聚焦后，以多角度会聚至棱镜表面，因而以不同角度入射的白光在棱镜上方的待测微结构样品上激发表面波，反射光被后置柱透镜准直并出射经过狭缝后被成像透镜聚焦并被反射光栅色散，从反射光栅反射的光信号再次经过成像透镜，并被cmos图像传感器收集记录；

14、步骤二：读取记录于cmos图像传感器的信息，即得到待测微结构样品的色散曲线图像，计算所采集图像中像素对应的角度信息，通过不同波长的光源入射并收集不同波长下的像素窗口，拟合确定所采集图像中像素对应的波长信息，完成每个像素和波长之间的一一匹配，再通过记录前置柱透镜将宽带光入射到棱镜的角度，以及宽带光的光束宽度，计算得到每个像素和角度之间的一一匹配关系；

15、步骤三：将采集到的色散曲线图像的每个像素坐标换算为波长和角度，完成色散曲线的测量。

16、进一步地，所述测量的色散曲线的波长范围在150nm以上。

17、本发明利用表面波的耦合激发特性，搭建光路得到此发明装置，利用该装置完成了微结构色散曲线的实时测量。

18、与现有技术相比，本发明的优点包括：

19、(1)结构简单速度快：解决了常规扫描探测既要旋转又要高精度角度扫描设备速度慢以及精度不准确的问题；

20、(2)实时测量，标定方便：通过光栅和棱镜的共同作用，无需扫描，便可通过cmos图像传感器实时采集到色散曲线，且仪器标定完成后可以更换样品直接使用，无需反复标定；

21、(3)多点测量：针对不均匀样品，可以通过移动样品或者改变聚焦点位置来改变聚焦光在结构表面的位置，完成不同位置处的色散曲线测量；

22、(4)测量波长范围广：将不同波长的色散光多次通过同一成像透镜将色散曲线图像成像在cmos图像传感器上，减少了成像质量的损失，单次测量波长范围达到150nm以上；

23、(5)成本低廉：所用元件皆为常规常见光学元件，价格便宜，便于维护；

24、(6)扩展性好：上表面水平，易于放置微结构，且微结构表面可以进一步附着待传感、待成像样品。光路还可以进一步在上方搭建物镜，直接扩展用于光学显微系统，同时实现色散曲线测量以及常规光学显微成像；

25、(7)仪器复用率高：在没有样品时，本测量装置可以兼顾为常规光谱仪使用，完成远场光谱的表征；

26、(8)偏振选择性：本发明中所用偏振片，可以依据待测样品的结构特点，自由调节入射光偏振，可以完成微结构在不同偏振光下的色散曲线测量。

27、(9)调节灵活，稳定性好：通过狭缝将后置柱透镜出射的光限制成线状光束，再入射到光栅上，对于均匀样品，可以通过狭缝选择选择入射位置，避免光栅不均匀区域。对于非均匀样品，可以通过狭缝选择不同的样品位置来测量。

28、除了上面所描述的特征和优点之外，本发明的原理以及其他的特征和优点。下面将参照附图和实施方式，对本发明作进一步详细的说明。