[发明专利]基于表面波倏逝场的痕量液体或气体折射率测量装置

说明书

技术领域

本发明属于导波光学技术领域，具体涉及一种痕量液体或气体折射率测量装置。

背景技术

材料的折射率的精密测量，以及基于折射率变化的传感技术，在许多方面，尤其是 生物技术中有很大的应用。近年来，基于Bloch表面波（BlochSurfaceWave，BSW）的测量 及传感技术的研究日益受到重视。BSW是存在于周期性多层介质膜堆中的电磁波，基于光 波导效应，光场被限制在周期性的膜层中产生局域化增强，并对其表面的倏逝波场也产生 相应增强作用。这种倏逝场会随着光波导的结构参数的变化而发生很大的变化。因此可以 根据这种倏逝场的变化来测量或传感光波导的参数变化情况。

目前，基于BSW的应用，主要是基于固定的波导结构，通过测量耦合波的反射率随 入射角的变化或入射光的波长变化来获得相应的位于平面波导外的与周期性多层模接触 的材料的参数。由于每次测量都需要进行测量系统的光路对准（入射角调节），因而整个测 量系统结构非常复杂，并用存在大量的系统误差和不稳定因素。因此，研究一种结构稳定， 测量灵敏的方法就成为迫切的需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量稳定性好、准确性高、速度快的痕量液体或气体 折射率测量装置。

本发明提供的痕量液体或气体折射率测量装置，是基于表面波倏逝场技术的。其 中，关键在于构造一个复合平面光波导结构，通过外加耦合透镜，将测量光束导入平面光波 导，形成稳定的Bloch表面波导模场。再通过锥形光纤探头，将表面波场耦合出平面波导， 通过传导光纤将光导入测量系统。当波导参数发生变化时，将导致表面波的倏逝场的变化。

有别于常规的基于Bloch表面波的测量和传感系统，本发明的特点在于通过波导 内部间隙容纳待测量物质，将待测量液体或气体作为复合光波导的一部分。而测量对象是 测量波导表面波的倏逝场，而非常规的测量入射光的反射率随入射角的变化，或反射率峰 值随入射光波长的变化。因此，所构造的平面光波导系统在测量校准前进行一次调准光路， 后续测量无需任何部件运动。

本发明设计的基于表面波倏逝场强度变化的痕量液体或气体折射率测量装置，其 结构如图1所示，它包括：一个复合平面光波导，棱镜耦合机构，表面波倏逝场测量机构；其 中，所述复合平面光波导由波导衬底层3、导流层5、玻璃基底7、周期性介质膜层8、波导覆盖 层9从下往上依次复合构成；所述棱镜耦合机构由测量光束1及半柱形耦合透镜2构成，该 半柱形耦合透镜2与波导衬底层3配合连接；所述表面波倏逝场测量机构由锥形光纤探头 10、传导光纤11及光电测量系统12依次连接构成；导流层5有接入口4和接出口6，待测液体 或气体经由接入口4进入波导结构内，由接出口6导出。

本发明中，所述测量光束1为连续或脉冲激光光束。

本发明中，所述的半柱形耦合透镜2可采用高折射率玻璃材料（折射率大于 1.52），用于将测量光束以倏逝场的形式耦合入复合平面光波导中。

本发明中，所述波导衬底层3可采用透明低折射率的材料，如石英（SiO₂）。

本发明中，所述导流层5为一间距很窄上下平行的空隙，用于容纳待测液体或气 体。

本发明中，所述导流层接入口4及导流层接出口6为待测量液体或气体的导入导出 口，可以采用密闭式，也可采用开放式。密闭式用于进行主动的导入，而开放式则可用于传 感测量。

本发明中，所述玻璃基底7为一薄玻璃片。

本发明中，所述周期性介质膜层8包括高/低折射率材料交替的周期薄膜层及其 附加层，材料为介质，如氧化钽/石英交替的周期结构薄膜层，或聚合物材料交替的周期结 构薄膜层。

本发明中，所述波导覆盖层9的材料可以采用玻璃或聚合物材料，其折射率低于周 期性介质膜层8的折射率。

本发明中，所述锥形光纤探头10可采用多模或单模光纤制备，折射率高于波导覆 盖层9的折射率。

本发明中，所述传导光纤11为一多模或单模光纤，用于传输从光纤探头10耦合出 的光。

本发明中，所述光电测量系统12为一套光电转换及测量显示系统，包括光电倍增 管、数模转换，、数据采集，及电脑等，用于测量和分析由传导光纤11传输而来的光强。

本发明优点：