专利名称：利用全反射角的改变进行传感的折射率传感方法
技术领域：
本发明涉及光传感技术领域，特别是一种利用全反射角的改变进行传感的折射率
传感方法。
背景技术：
光传感激技术是目前发展与研究的一个重要方向。光传感技术主要原理是当系统中目标参数发生变化，比如温度变化、压力变化、折射率变化等，光波的特性也随着发生变化，利用光波的这种变化来检测目标参数的变化。利用光波的角度特性进行折射率传感是一种常见的传感方法，这类方法主要有表面等离子体共振传感，光波导传感等。
目前国际上有很多利用角度进行光传感的文献报道和专利[1 ] Homolaj ;Yee SS ;Gauglitz， G. Source Surface plasmon resonance sensors :review. SENSORSAND ACTUATORS B-CHEMICAL Volume 54， JAN 25 1999. [2]MALMQVIST M. BIOSPECIFICINTERACTION ANALYSIS USINGBIOSENSOR TECHNOLOGY. NATURE Volume 361， JAN 14 1993.[3]William J. H. Bender, Raymond E. Dessy. SURFACE PLASMONRESONANCE SENSOR. UnitedStates Patent. Patent Number :5， 327， 225. Date of Patent Jul. 5， 1994. [4]ShuichiOkubo， Yasushi Nagasawa， KazunariNaya. TOTAL-REFLECTION TYPE REFRACTIVE INDEXSENSOR. United Stated Patent. Patenti Numbers :5，565，978. Date of Patent :Oct. 15，1996 现有的角度传感方法，灵敏度高，但是存在以下问题其物理过程复杂表面等离子体共振传感需要实现光波与表面等离子体波的共振才能进行传感，而波导传感存在耦合的问题与模式问题；角度变化与折射率变化之间关系复杂，这样不利用传感的实现；传感器实现与测量比较复杂表面等离子体共振传感对金属的介电常数特行有一定要求，实际中只有金、银、铜等有限的金属可供选择；金属的厚度一般要求在50-100nm之间，对光波的波长与偏振态都有一定的限定，这对传感的实现带来了很大的困难；光波导传感对光波导本身的材料与尺寸制作有很高的要求。
发明内容
( — )要解决的技术问题 有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种利用全反射角的改变进行传感的折射率传感方法，以简化测试过程，提高传感精度和灵敏度。
( 二 )技术方案 为达到上述目的，本发明提供了一种利用全反射角的改变进行传感的折射率传感方法，该方法包括 步骤1、光从折射率为N的材料入射至折射率为&的传感物质时，测出在不同入射角时的反射率，得到反射数据与曲线，其中N > ni ; 步骤2、对反射率求角度微分，得到反射率角度微分数据与曲线，从反射率角度微分数据与曲线中提取出全反射角9 i ; 步骤3、光从折射率为N的材料入射至折射率为n,An的传感物质时，测出不同入射角时的反射率，得到反射数据与曲线，其中N > ni+An ; 步骤4、对反射率求角度微分，得到反射率角度微分数据与曲线，从反射率角度微分数据与曲线中提取出全反射角e2; 步骤5、根据公式An二N(sin(e》-sin(e》)计算出折射率的变化。 上述方案中，步骤1和步骤3中所述的光，其波长处在对于折射率为N的材料透明
的波段，光的偏振态选择TE模式或者TM模式。 上述方案中，步骤2中所述对反射率求角度微分时，采用简单差分方法，将两个采样点反射率数据之差除以采样点角度间隔得到微分值。 上述方案中，所述步骤2和步骤4中，采用求反射率角度微分的方法得到反射率角度微分曲线。 上述方案中，所述求反射率角度微分的方法采用的简单差分方法，将两个采样点反射率数据之差除以采样点角度间隔得到微分值。 上述方案中，所述步骤2和步骤4中所述提取出全反射角，具体采用以下方式
从数据中找到反射率角度微分值最大的点，该点对应的角度就是全反射角；或者
从反射率角度微分曲线上直接读出峰值点对应的角度。
(三)有益效果 本发明提供的这种利用全反射角的改变进行传感的折射率传感方法，物理过程简单，只要能够测量出全反射角就能实现传感，所以实现起来简单，测试容易；角度变化与折射率变化关系清晰，这样有利于传感的实现；采用微分方式确定反射角，能精确定出全反射角，这样就消除其他参数的影响，提高传感精度；灵敏度高，其灵敏度指标优于表面等离子体共振传感方式。 本发明提供的这种利用全反射角的改变进行传感的折射率传感方法，对光波长与光的偏振态均无选择性，这样方便传感器的实现。本发明的另一个优点在于，其灵敏度高，常见表面等离子体共振传感角度灵敏度为142° /RIU，而利用本发明提出的方法，其角度灵敏度为150° /RIU，灵敏度优于表面等离子体共振方法传感。
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中 图1为使用本发明的流程图； 图2为利用本发明进行传感的一种结构示意图； 图3为初始状态下的反射率曲线； 图4为图2所示反射率曲线对应的反射率角度微分曲线； 图5为传感物质折射率变化前后的反射率曲线； 图6为传感物质折射率变化前后的反射率角度曲线。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。 本发明提供的这种利用全反射角的改变进行传感的折射率传感方法，其物理原理 如下当光波从高折射率物质N入射到低折射率物质n时，当入射角大于临界角9 。时，将 发生全反射现象，e。满足关系式NSin(e。) 二n，如果固定N，那么当n变化时，全反射角 9 。也会发生变化，利用这种关系就能够进行传感。物理过程简单，并且角度变化与折射率 变化之间的关系清晰，可用一下表达式表示An = N(sin(ej-sin(ej)， e el、 e 。2为折
射率变化前后的全反射角。 如图1所示，本发明提出的这种利用全反射角变化进行传感的折射率传感方法， 其主要步骤如下 步骤1、选择合适的高折射率物质，使其折射率大于要传感物质折射率，如果是传 感水溶液，可以选取棱镜，其折射率为1.5，入射波长可以选择632. 8nm或者1550nm或者其 他常见波长，入射光的偏振态选择TE或者TM均可； 步骤2、光从高折射率材料测入射，传感物质折射为ni时，测出在不同入射角时的 反射率，得到反射数据与曲线； 步骤3、对反射率求角度微分，得到反射率角度微分数据与曲线，从反射率角度微 分数据与曲线中提取出全反射角e1; 步骤4、传感物质折射率变为n,An，测出不同入射角时的反射率，得到反射数据 与曲线； 步骤5、对反射率求角度微分，得到反射率角度微分数据与曲线，从反射率角度微 分数据与曲线中提取出全反射角e2; 步骤6、根据公式An = N(sin( e》-sin( e 2))计算出折射率变化。
下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明 本实施例采用的结构如图2所示，标号1为激光器，本实施例选取波长为632. 8nm 的红光激光器；标号2为偏振片，本实例选取TM偏振片批；标号3为棱镜，其折射率为1. 5， 标号4为介质膜，其厚度为10-500nm，其折射率可以是任何实际材料的折射率；标号5是传 感物质，本实例传感的是水溶液，其折射率在1. 33附近变化。标号6是探测器，用于探测反 射光强度。应用本发明传感方法的具体流程如下 步骤1、光从棱镜左测入射，探测器在棱镜右侧测量光射光强度，当传感物质折射 为&时，测出在不同入射角时的反射率，得到反射数据与曲线，曲线如图3所示；
步骤2、对反射率求角度微分，得到反射率角度微分数据与曲线，曲线如图4所示， 从反射率角度微分数据与曲线中提取出全反射角e1; 步骤3、传感物质折射率变为n,An，测出不同入射角时的反射率，得到反射数据 与曲线，曲线如图5所示； 步骤4、对反射率求角度微分，得到反射率角度微分数据与曲线，曲线如图6所示， 从反射率角度微分数据与曲线中提取出全反射角e2; 步骤5、根据公式An二N(sin(e》-sin(0 2))计算出折射率变化。 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说
明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明
的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种利用全反射角的改变进行传感的折射率传感方法，其特征在于，该方法包括步骤1、光从折射率为N的材料入射至折射率为n1的传感物质时，测出在不同入射角时的反射率，得到反射数据与曲线，其中N＞n1；步骤2、对反射率求角度微分，得到反射率角度微分数据与曲线，从反射率角度微分数据与曲线中提取出全反射角θ1；步骤3、光从折射率为N的材料入射至折射率为n1+Δn的传感物质时，测出不同入射角时的反射率，得到反射数据与曲线，其中N＞n1+Δn；步骤4、对反射率求角度微分，得到反射率角度微分数据与曲线，从反射率角度微分数据与曲线中提取出全反射角θ2；步骤5、根据公式Δn＝N(sin(θ1)-sin(θ2))计算出折射率的变化。
2. 根据权利要求1所述的利用全反射角的改变进行传感的折射率传感方法，其特征在 于，步骤1和步骤3中所述的光，其波长处在对于折射率为N的材料透明的波段，光的偏振 态选择TE模式或者TM模式。
3. 根据权利要求1所述的利用全反射角的改变进行传感的折射率传感方法，其特征在 于，步骤2中所述对反射率求角度微分时，采用简单差分方法，将两个采样点反射率数据之 差除以采样点角度间隔得到微分值。
4. 根据权利要求1所述的利用全反射角的改变进行传感的折射率传感方法，其特征在 于，所述步骤2和步骤4中，采用求反射率角度微分的方法得到反射率角度微分曲线。
5. 根据权利要求4所述的利用全反射角的改变进行传感的折射率传感方法，其特征在 于，所述求反射率角度微分的方法采用的简单差分方法，将两个采样点反射率数据之差除 以采样点角度间隔得到微分值。
6. 根据权利要求1所述的利用全反射角的改变进行传感的折射率传感方法，其特征在 于，所述步骤2和步骤4中所述提取出全反射角，具体采用以下方式从数据中找到反射率角度微分值最大的点，该点对应的角度就是全反射角；或者从反 射率角度微分曲线上直接读出峰值点对应的角度。
全文摘要
本发明公开了一种利用全反射角的改变进行传感的折射率传感方法，该方法包括光从折射率为N的材料入射至折射率为n1的传感物质时，测出在不同入射角时的反射率，得到反射数据与曲线，其中N＞n1；对反射率求角度微分，得到反射率角度微分数据与曲线，从反射率角度微分数据与曲线中提取出全反射角θ1；光从折射率为N的材料入射至折射率为n1+Δn的传感物质时，测出不同入射角时的反射率，得到反射数据与曲线，其中N＞n1+Δn；对反射率求角度微分，得到反射率角度微分数据与曲线，从反射率角度微分数据与曲线中提取出全反射角θ2；根据公式Δn＝N(sin(θ1)-sin(θ2))计算出折射率的变化。本发明实现起来简单，测试容易；能精确定出全反射角，提高了传感精度和灵敏度。
文档编号G01N21/41GK101762563SQ20081024093
公开日2010年6月30日 申请日期2008年12月24日 优先权日2008年12月24日
发明者刘宏伟, 於丰, 王春霞, 许兴胜, 阚强, 陈弘达 申请人:中国科学院半导体研究所