专利名称：测量气液体温度、吸收、浓度、组分和折射率变化的方法
技术领域：
本发明涉及的是一种测量技术领域的方法，特别是一种测量气液体温度、吸收、浓度、组分和折射率变化的方法。
背景技术：
随着激光技术的发展，激光传感器在溶液浓度和吸收测量方面的应用取得了长足的进步。液体、气体的温度、吸收、浓度、组分等等特性，都与其折射率息息相关，上述这些特性发生变化时，都会引起其折射率发生相应的变化。通过表面等离子探测技术、泄露模波导探测技术等方法，可以对折射率的微小变化进行高灵敏度的检测。这就使得对液体或气体的温度、吸收、浓度、组分等等特性的监测可以转化为对其折射率的监测，并进而可以将折射率的微小变化转化为放大的可被探测的光信号变化，从而解读出待测液体中的相应变化。这些方法已经被广泛的应用在物理、化学、生物、医药等广泛的领域中。但在实际应用中，普遍存在着探测灵敏度不够高、对于探测光信号的偏振特性要求高等问题，已经成为限制其进一步发展的障碍。
经对现有技术的文献检索发现，美国专利号为6903815，名称为用于葡萄糖测量的光波导传感器——器件、系统及方法。该技术所涉及的器件是在左右两个耦合光栅之间形成多膜层结构，其中，多膜层结构的第一层为衬底层；第二层为导波层，其折射率高于第一、三层；第三层为生化酶和试剂层，第四为多孔凝胶层；第五层为筛状导电层(筛状金属膜层)。第四和第五层以及器件仅控制待测溶液中的待测成分进入第三层，并不实际参与传感和测量过程。第一、二、三层中，第二层的折射率最高，两边次之，组成典型的光波导结构，其中，第二层为导波层，第一和第三层分别为上下包覆层。由入射耦合光栅耦合进该器件的偏振光在第二层中传输，部分渗入第一和第三层。经过该光波导传输的光信号由出射耦合光栅耦合出该器件，并由一个光强探测器接收和处理。当待测溶液中待测成分通过上述逆电离子渗入系统与第三层相接触的时候，将会与第三层发生一系列生化反应，并改变第三层的折射率，从而导致该光波导的传输特性发生改变，并进一步的引起其中传输的光信号发生变化。这一变化由出射耦合光栅处放置的光强探测装置捕捉到。这样就实现了通过检测光信号来传感待测溶液中葡萄糖浓度变化。但由于在这种结构中，样本被放置在光波的迅衰场中(第三层)，在这一层里，光波的能量迅速衰减，光波与待测样本的相互作用非常有限，这直接导致了这种方法的测量灵敏度虽然比现有的传统方法要高一些，但难以在此基础上进一步提高。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种测量气液体温度、吸收、浓度、组分和折射率变化的方法。使其采用上层金属膜-样品腔-下层金属膜三层结构，在此结构中，中间的样品层折射率最高，上下两层金属膜，折射率较低；这样，就将待测样本置于波导结构的导波层中，极大的提高了测量的灵敏度。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明利用激光束聚焦入射到上层金属膜-样品腔-下层金属膜的波导结构中，部分光信号被波导结构吸收，于是导致反射光斑中出现明暗相间的条纹；进而利用这些条纹对置于样品腔中的待测液体、气体样本的温度、吸收、浓度、组分和折射率变化非常敏感的特性，通过对光斑明暗条纹的检测而实现对于液体、气体样本的温度、吸收、浓度、组分和折射率变化高灵敏度和实时测量。
以下对本发明作进一步的说明，具体步骤如下第一步选择材料和相应的参数，形成上层金属膜-样品腔-下层金属膜的波导结构；金属膜材料选择银、金、铝、铜，要求其在光频范围内介电常数实部εr≤-8，介电常数虚部εi≤5.0；上层金属膜的厚度在5nm～70nm之间，样品腔的厚度在10μm～2mm之间，下层金属膜厚度大于10nm；第二步选择入射光波长及入射角度。激光光源的工作波长在560nm～1300nm范围内选择，激光器输出的激光束经过扩束后聚焦入射到上述波导结构中，选择入射角度，要求能够在反射光斑中观察到明暗条纹；第三步在上述波导结构的另一侧检测出射光斑，通过监测出射光斑中明暗条纹的变化，并将之与标准样本的条纹作对比，就可实现检测上述波导结构中样品腔中待测液体、气体样本的温度、吸收、浓度、组分和折射率的变化。
在上层金属膜-样品腔-下层金属膜的波导结构中，中间一层材料的折射率最高，两边次之，中间的一层叫做导波层，两边称为包覆层或覆盖层。在这种结构中，光波以振荡场形式在导波层中传播，光波的能量集中在这里，与导波层介质的相互作用也最强。因此，如果将待测样本置于波导的导波层中，就能显著的提高探测的灵敏度。
激光光束聚焦入射到上述波导结构中，某个入射角度的光信号如果恰能满足波导耦合条件，就会被耦合到波导结构中，而其他入射角度的光信号会被反射出来。并且，由于波导耦合条件具有准周期性的特征，这样，入射光中就会有一系列角度的光被耦合到波导中，于是就会形成明暗相间的条纹状反射光斑。导波层的折射率是决定波导耦合条件的主要因素之一，因此，当样品腔中作为波导层的待测样本的折射率发生微小变化时，波导耦合条件也会发生相应的变化，从而带来反射光斑中明暗条纹的变化。而样品层的折射率又与样品腔中待测液体、气体样本的温度、吸收、浓度和组分等特性密切相关，这就使得通过检测明暗条纹的变化来对上述特性的变化进行测量成为可能。
本发明中，创造性的将待测样本置于光波导结构的导波层中，并通过检测反射光斑中明暗条纹的变化来对液体、气体样本的温度、吸收、浓度、组分和折射率变化做出检测，显著的提高了探测的灵敏度；并且由于这种结构对于探测光的偏振特性不敏感，也降低了对于探测光路的要求。
本发明广泛应用于多种液体或气体的温度、吸收、浓度、组分和折射率变化的测量，尤其是生化反应中实时浓度测量和反应过程检测。本发明实现了高灵敏度、低消耗量、快速实时的测量。
具体实施例方式
实例1第一步形成上层金属膜-样品腔-下层金属膜的波导结构，上层金属膜厚度为5nm，样品腔厚度为1mm，下层金属膜厚度为10nm。金属采用金(560.0nm波长下ε＝-8.2+i1.79)，样品采用空气，介电系数(折射率的平方)为1.00；
第二步激光波长为560.0nm，扩束后聚焦入射到上述结构中，入射角为2°。出射光斑中出现明暗相间的条纹；第三步在上述波导结构的另一侧检测出射光斑，并记录其明暗条纹移动的角度。
根据计算表明对样品介电系数(折射率的平方)的检测可以达到2×10-6(明暗条纹移动1.436×10-3度)。样品腔内不同样品介电系数和明暗条纹的移动变化列在下表中。
实例2第一步形成上层金属膜-样品腔-下层金属膜的波导结构，上层金属膜厚度为25nm，样品腔厚度为2mm，下层金属膜厚度为32nm。金属采用金(690.0nm波长下ε＝-14.4+i1.22)，样品采用纯水，介电系数(折射率的平方)为1.77；第二步激光波长为690.0nm，扩束后聚焦入射到上述结构中，入射角为5°。出射光斑中出现明暗相间的条纹；第三步在上述波导结构的另一侧检测出射光斑，并记录其明暗条纹移动的角度。
根据计算表明对样品介电系数(折射率的平方)的检测可以达到2×10-6(明暗条纹移动0.632×10-3度)。样品腔内不同样品介电系数和明暗条纹的移动变化列在下表中。
实例3第一步形成上层金属膜-样品腔-下层金属膜的波导结构，上层金属膜厚度为60nm，样品腔厚度为10μm，下层金属膜厚度为90nm。金属采用金(1300.0nm波长下ε＝-67.9+i6.60)，样品采用纯水，介电系数为(折射率的平方)1.77；第二步激光波长为1300.0nm，扩束后聚焦入射到上述结构中，入射角为30°。出射光斑中出现明暗相间的条纹；第三步在上述波导结构的另一侧检测出射光斑，并记录其明暗条纹移动的角度。
根据计算表明对样品介电系数(折射率的平方)的检测可以达到1×10-5(明暗条纹移动0.646×10-3度)。样品腔内不同样品介电系数和明暗条纹的移动变化列在下表中。
权利要求
1.一种测量气液体温度、吸收、浓度、组分和折射率变化的方法，其特征在于，利用激光束聚焦入射到上层金属膜-样品腔-下层金属膜的波导结构中，部分光信号被波导结构吸收，于是导致反射光斑中出现明暗相间的条纹；进而利用这些条纹对于置于样品腔中的待测液体、气体样本的温度、吸收、浓度、组分和折射率变化非常敏感的特性，通过对光斑明暗条纹的检测而实现对于液体、气体样本的温度、吸收、浓度、组分和折射率变化高灵敏度和实时测量。
2.根据权利要求1所述的测量气液体温度、吸收、浓度、组分和折射率变化的方法，其特征是，具体步骤如下第一步选择材料和相应的参数，形成上层金属膜—样品腔—下层金属膜的波导结构；金属膜材料选择银、金、铝、铜，其在光频范围内介电常数实部εr≤-8，介电常数虚部εi≤5.0；第二步选择入射光波长及入射角度，激光光源的工作波长在560nm～1300nm范围内选择，激光器输出的激光束经过扩束后聚焦入射到上述波导结构中，选择入射角度，要求能够在反射光斑中观察到明暗条纹；第三步在上述波导结构的另一侧检测出射光斑，通过监测出射光斑中明暗条纹的变化，并将之与标准样本的条纹作对比，实现对上述波导结构中样品腔中待测液体、气体样本的温度、吸收、浓度、组分和折射率变化的检测。
3.根据权利要求1或者2所述的测量气液体温度、吸收、浓度、组分和折射率变化的方法，其特征是，上层金属膜的厚度在5nm～70nm之间。
4.根据权利要求1或者2所述的测量气液体温度、吸收、浓度、组分和折射率变化的方法，其特征是，样品腔的厚度在10μm～2mm之间。
5.根据权利要求1或者2所述的测量气液体温度、吸收、浓度、组分和折射率变化的方法，其特征是，下层金属膜厚度大于10nm。
全文摘要
一种测量技术领域的液体、气体样本的温度、吸收、浓度、组分和折射率变化测量方法，利用激光束聚焦入射到上层金属膜－样品腔－下层金属膜的波导结构中，部分光信号被波导结构吸收，于是导致反射光斑中出现明暗相间的条纹；进而利用这些条纹对于置于样品腔中的待测液体、气体样本的温度、吸收、浓度、组分和折射率变化非常敏感的特性，通过对光斑明暗条纹的检测而实现对于液体、气体样本的温度、吸收、浓度、组分和折射率变化高灵敏度和实时测量。本发明具有实质性特点和显著进步，可以广泛应用于多种液体、气体的温度、吸收、浓度、组分和折射率变化的高灵敏度、低消耗量、快速实时测量，尤其是生化反应中的实时浓度和反应过程检测。
文档编号G01N21/41GK1758027SQ20051003076
公开日2006年4月12日 申请日期2005年10月27日 优先权日2005年10月27日
发明者陈洸, 曹庄琪, 顾江华, 沈启舜 申请人:上海交通大学