[发明专利]一种基于光谱成像的棱镜耦合表面等离激元共振测试系统

说明书

本发明公开了一种基于光谱成像的棱镜耦合表面等离激元共振测试系统，包括光源，该测试系统还包括：中心有小孔的不透光片、偏振片、第一凹面镜、第二凹面镜、光栅、棱镜/金属膜、反射装置、图像探测器。本发明采用连续谱作为入射光，用二维图像探测器来检测反射光强，通过二维图像探测器的单次数据采集即可得到不同光波长、不同入射角激发SPP的完整信息，进而分析激发SPP的光波长‑入射角度关系；本发明测试速度快，可大大减少检测过程中样品性质改变对结果造成影响；本发明系统不包含机械转动部件，在数据采集过程中不存在机械运动引起的干扰。

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，特别是一种基于光谱成像的棱镜耦合表面等离激元共振测试系统。

背景技术

表面等离激元共振(Surface Plasmon Resonance,简称SPR)是物理、化学、生命科学等领域一种常用的测试方法，其主要用途是检测溶液折射率的变化，进而检测液体的浓度、以及生命、化学反应的情况。SPR技术无需标记检测样品，可实现实时、快速检测，且灵敏度高。同时，SPR在纳米光学与光子学领域等领域也有重要的应用价值，例如激子-极化激元(Exciton-Polariton)本征模式通常采用变角度SPR光谱来进行分析。

SPR检测原理如图1所示，其基本原理是在一定条件下，入射光在棱镜/金属界面处全反射产生的倏逝波可以激发金属纳米薄膜上表面的表面等离激元(Surface PlasmonPolariton,简称SPP)，能量会从入射光转移到SPP，从而引起反射光强度的降低。SPP是一种沿着金属/电介质界面传播的表面波，它是由电磁波与自由电子集体振荡耦合而产生的。SPP的传播常数与频率之间存在确定的关系，这种关系由金属和电介质的折射率决定。只有当入射光在沿着界面方向的波矢分量(依赖于入射角)与SPP的传播常数相等，且入射光的频率与SPP的频率也相等时，入射光的能量才能传递给SPP，引起反射光强度的降低。也就是说激发SPP的入射光频率(波长)与入射角之间也存在确定的关系。当贵金属表面附着一定的待测物质时，金属薄膜上方电介质的折射率会发生变化，从而改变SPP传播常数与频率之间的关系，因此，激发SPP的入射光频率与入射角之间的关系也随之改变。SPR的基本思路就是通过检测反射光强度降低时入射光波长与入射角的关系来反推电介质的折射率。

目前，SPR传感主要有三类方案：

1.用连续谱光源发出的白光探测，用光谱仪接收反射光，如图2(a)所示。这类方案又可以分为两种情况：

1)固定入射角，用光谱仪探测反射光的光谱，绘制出波长-反射率曲线。这类方案的优点是能检测连续谱带内各个波长激发SPP的情况；缺点是只能得到单一入射角的信息。

2)改变入射角，依次在不同入射角度用光谱仪探测反射光的光谱，最终得到不同波长的光激发SPP的情况。这类方案可采用共轴双层转台，将两个旋臂分别固定在双层转台上，然后再将光源和光谱仪分别固定在两个旋臂上。在测试过程中，改变入射角，同时改变光谱仪的角度和位置。在每个入射角下，都可以得到不同波长的光激发SPP的信息。这种方法的优点是可以得到完整的激发SPP波长与入射角的对应关系。缺点是在测试过程中需以小步长同步改变入射光和光谱仪的位置、角度，需要较长的测试时间，而且如果在测试过程中，样品的性质发生了变化，那么测试的结果就会出现错误。同时，为了得到准确的测量结果，这种测试系统对机械转动系统稳定性的要求非常高，对工作环境的要求也很苛刻。

2.用单一波长激光作为入射光，用强度探测器来探测反射光的强度，如图2(b)所示。这类方案可采用共轴双层转台，将两个旋臂分别固定在双层转台上，然后再将光源和强度探测器分别固定在两个旋臂上。在测试过程中，改变入射角，同时改变探测器的角度和位置。在每个入射角下，都可以得到一个反射光的强度，最终绘制出入射角-反射光强的曲线。这类方案得到的数据通常只包含单一波长入射光的信息。