一种串联分布式棱镜ＳＰＲ传感器系统，由宽带光源（１）、多模光纤（２）、Ｐ型偏振分光棱镜（３）、串联分布式棱镜ＳＰＲ传感器组（４）、聚焦透镜（５）、多模光纤耦合器（６）、光谱仪（７）、ＵＳＢ数据线（８）、计算机（９）组成。其特征在于：上述分布式棱镜ＳＰＲ传感器（４）由多个分立的等腰棱镜依次按照正立－倒置形式，以特定比例间距串联排布组成。该方法使棱镜ＳＰＲ传感器能同时检测多种液体折射率，相对于传统单通道棱镜ＳＰＲ传感器提高了检测效率，具有加工方便、可置换性强等特点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于表面等离子体波传感器
，具体为串联分布式棱镜型表面 等离子体波传感器。
技术介绍
表面等离子体波共振(以下简称SPR)效应是一种发生在金属与电介质界面 上的物理光学现象，它对附着在金属表面电介质的折射率变化非常敏感。自从 1983年瑞典人Liedberg首次将SPR效应应用于IgG蛋白质与其抗原的相互作用 反应的测定，基于SPR效应的传感器已在环境监测、生化检测以及食品科学等多 个领域得到各国科研人员的极大重视。棱镜SPR传感器是其中发展最为成熟，应用最为广泛的一类，并主要基于角 度调制型和相位调制型检测方法。这两种方法虽然检测精度高，但是结抅复杂、 仪器笨重、价格昂贵，于是逐渐发展出了波长调制型检测系统。该方法检测精度 略低，但结构简单易操作，价格便宜，适用于大规模配置在恶劣的检测环境中。 美国热电公司子光谱部以其10年傅立叶变换红外技术经验结合最新的SPR技术 研制了单通道波长调制型棱镜SPR传感器检测模块-SPR100，其典型结构依次由 宽带光源、多膜光纤、P型偏振分光棱镜、单个棱镜SPR传感器、聚焦透镜、多 模光纤耦合器、光谱仪、USB数据线和计算机组成。在实际测量环境中，被测参量往往呈现一定空间分布，或者是多个被测参量 共存于同一环境，而单通道波长调制型棱镜SPR传感器检测系统一次只能检测一 个目标参量，无法实现有效、快捷的检测。所以，为获得这一类实测对象比较完 整的信息，实现同时检测多个检测环境或同一环境的多个目标参量，需研制具备 高集成度、高通量、多组分和多位点同时测定能力的新型分布式SPR检测系统。美国华盛顿大学Jiri Homola等人2001年在《Sensors and Actuators B》 期干U上发表题为"A novel multichannel surface piasmon resonance biosensor"的文章，提出了双通道棱镜SPR传感器结构，其示意图如图l所示。在SF14玻 璃制成的等腰直角棱镜底部先增镀一层金属膜，然后在金属膜的一半面积上蒸镀 调制层，从而形成两个分别基于Kretschmann三层模型和四层模型的独立传感区 域。当不同的液体分别与两传感区接触时，通过棱镜入射到底面上的光可同时激 发两次SPR效应，表现在反射率光谱上就是在宽带光源带宽范围内同时出现两个 共振波谷，每一个共振波谷分别对应一种待测液体。计算共振波谷对应的共振波 长即可实现对待测液体性质的检测。这种结构的缺点是当目标参量增加时需要增 加镀膜层数，膜系结构更加复杂，对镀膜工艺要求更高。同时也不便于通过改变 自身参数来及时适应更高的检测分辨率要求。南京航空航天大学曹振武等人2007年在《压电与声光》期刊上发表"基于 四棱镜结构的分布式SPR传感器研究" 一文，提出了一种三通道分布式棱镜SPR 传感器，其结构如图2所示。通过在四棱镜的三个面上增镀金属薄膜，构造了三 个传感区域。当光线从棱镜下底面以一定角度入射时，可分别在三个面上激发 SPR效应，在宽带光源带宽范围内观察到三个共振波谷，实现三通道分布式测量。 但是这种结构需要在三个相交的面上镀膜，不容易控制镀膜厚度和镀膜夹具角 度。而且需要通过在五棱镜、六棱镜等更复杂的棱镜面上镀膜来实现更高的通道 数，对镀膜工艺要求较高。此外，不便于通过改变自身结构参数来适应更高的检 测分辨率要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于研制一种便于加工、便于通过改变自身结构适应更多检测 参数和更髙检测分辨率要求的分布式SPR传感器检测系统，从而提出了串联分布 式棱镜SPR传感器系统。该系统结构简单，制作方便，当检测精度或检测分辨率 要求提高时，容易通过将单个棱镜SPR传感器置换为不同调制层厚度、同样尺寸 的其他棱镜SPR传感器适应要求变化。一种串联分布式棱镜SPR传感器系统，依次由宽带光源、多模光纤、P型偏 振分光棱镜、棱镜SPR传感器、聚焦透镜、多模光纤耦合器、光谱仪、USB数据 线、计算机组成；其特征在于上述棱镜SPR传感器由多个完全相同的单通道等 腰直角棱镜SPR传感器依次按照正立一倒置的方式等间距串联排布，且该间距大于O,小于等于l/3等腰直角棱镜腰长。本专利技术的分布式棱镜SPR传感系统工作原理是宽带光源发出的光通过多模 光纤入射到偏振分光棱镜，经偏振分光棱镜分光得到的P偏振光以一定的角度入 射到串联分布式棱镜SPR传感器组上，并在每个单通道棱镜SPR传感器底面上都 激发出SPR效应。此时入射光中P偏振光分量的大部分能量耦合到表面等离子体 波中，导致某些特定波段的光子能量因满足共振条件而发生能量衰减，于是在宽 带光源带宽范围内形成多个SPR共振波谷。共振波谷个数的主要影响因素是串联分布式棱镜SPR传感器组所使用的单 通道棱镜SPR传感器个数n,而在宽带光源带宽范围内所能检测到的共振波谷个 数主要由各个单通道棱镜SPR传感器调制层材料和厚度决定，这也决定了系统的 检测分辨率。P偏振光和S偏振光入射光波的电场可分解成两个相互正交的偏振光分量 把平行于入射面，与界面垂直的波称为P偏振波；把垂直于入射面、与界面平行 的波称为S偏振波。S偏振光的电场与界面平行，不会激励起表面等离子体波。 当P偏振光以全反射临界角从光密媒质入射到光疏媒质时，光疏媒质中的折射光 波将沿着平行于界面传播形成倏逝波，激起表面电子密度起伏并形成局限于金属 表面的表面等离子体波。共振波长利用入射光中的P偏振光在玻璃与金属薄膜界面处发生全内反射 时渗透到金属薄膜内的消失波，引发金属中的自由电子产生表面等离子体共振。 当发生共振时界面处的全反射条件将被破坏,入射光能量被金属表面电子吸收， 使反射光能量急剧下降，表现在反射光谱中出现一个波谷，此波谷对应的波长即 为共振波长。本专利技术的有益效果是1. 加工多个单通道棱镜SPR传感器，制备过程中只需按照传统分立棱镜型SPR 传感器的加工工艺进行加工，并不增加加工难度，这与已有多通道分布式SPR 传感器相比，简化了制备工艺简化，降低了加工成本；2. 把多个单通道棱镜SPR传感器按照正立一倒置的形式进行排布，得到多通道 串联分布式SPR传感器组，可同时实现对多个目标参量的测量，提高了检测效率。3. 当检目标数或检测分辨率要求提高时，可方便的通过增加单通道棱镜SPR传感器的数量和置换某几个单通道棱镜SPR传感器为同等尺寸不同调制层厚度的 其他单通道棱镜SPR传感器来实现，灵活的满足检测要求。附图说明图l是双通道棱镜SPR传感器结构示意图图2是基于四棱镜结构的棱镜SPR传感器结构示意图图3是串联分布式棱镜型SPR传感器系统组成示意图图4是分立棱镜SPR传感器组成示意图图5是串联分布式棱镜SPR传感器组示意图图6是五通道串联分布式棱镜SPR传感器系统光谱仿真图图7是未经调制层调节的六通道串联分布式棱镜SPR传感器系统光谱仿真图图8是经调制层厚度调节后的六通道串联分布式棱镜SPR传感器系统光谱仿真图图9是经调制层材料调节后的六通道串联分布式棱镜SPR传感器系统光谱仿真图上述图中的标号名称l.等腰直角棱镜，2.金属膜，3.调制层，4.四棱镜， 5.金属膜，6.宽带光源，7.多模光纤，8.P型偏振分光棱镜，9.串联分布式棱镜 SPR传感器组本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种串联分布式棱镜ＳＰＲ传感器系统，可对多个检测环境或同一检测环境的多个目标参量实现实时检测，该系统依次由宽带光源（１）、多模光纤（２）、Ｐ型偏振分光棱镜（３）、棱镜ＳＰＲ传感器、聚焦透镜（５）、多模光纤耦合器（６）、光谱仪（７）、ＵＳＢ数据线（８）、计算机（９）组成；其特征在于： 上述棱镜ＳＰＲ传感器为串联分布式棱镜ＳＰＲ传感器组（４），即由多个完全相同的单通道等腰直角棱镜ＳＰＲ传感器依次按照正立－倒置的方式等间距串联排布，且该间距大于０，小于等于１／３等腰直角棱镜腰 长。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：曾捷，张晓丽，梁大开，赵志远，万艳，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]
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