检测电介质折射率变化的设备和方法

专利名称：检测电介质折射率变化的设备和方法
技术领域：
本发明涉及表面等离子体振子共振现象，检测电介质折射率的变化。
背景技术：
用表面等离子体振子共振检测法(SPR)来检测邻近金属表面的电解液折射率是通常所用的方法。
表面等离子体振子波是横向磁化的电磁波，它从金属和电介质的连接界面传播，在连接处的金属性质与自由电子相似。等离子体振体波以传播矢量(波矢)的形式表现，在满足一定条件下才会被激发。如果金属介质和电介质是半无限的，那么等离子体振子传播矢量ksp由如下方程给出kSP=2πλnmndnm2+nd2=2πλϵmϵdϵd+ϵd]]>这里λ表示波长，nm和nd分别表示金属和电介质的折射率(εm和εd表示电介质常数，n=ϵ]]>)。
等离子体振子共振现象的产生，需要满足以下条件金属的电介质常数的实部为负，Re[εm]＜0，Re[εd]＜-Re[εm]，并且产生的波必须是横向磁化(TM)的。满足这些条件的金属中，金和银是最常用的。在金属和电介质的连接界面，表面等离子体振子的电磁场具有最大的磁场强度，并向介质中指数衰减，图1中清楚的显示了这一现象(图中显示了在金属100和电介质200连接界面处波的指数衰减)。
由此可知，表面等离子体振子波的激发很大程度上取决于电介质的电介质常数(或折射率)。
激发这种表面波有很多方法，例如，可用电子激发的方法或光照激发的方法。然而表面等离子体振子波不能由在金属表面反射的灯光直接激发。因为光的波矢遵守下列方程kLIGHT=2πλϵdsinθ]]>
这里θ是光的入射角，λ为波长。为了使激发产生，两者波矢必须相等。在光入射角为任意值时，比较等离子体振子波矢和光波矢如下|kLUZ|＜|kSP|还有几种技术可以应用于用光激发表面等离子体振子波，在这其中，我们强调以下几点a)棱镜耦合技术(如图2中所示)这里用到棱镜10，折射率为np，电介质常数为εp的电介质200，这里由于光路的改变使εp＞εd，在这两者之间还放置了一个具有特定厚度(由光波的波长和所用金属决定)的金属薄板。在图2中，kx0是光波矢量在空气中的分量，与折射表面平行(ε0是空气电介质常数)，kxp是光波矢量在棱镜中的分量，与反射表面平行(εp是棱镜电介质常数)，kSP是等离子体振子的传播矢量。
激发现象由光在棱镜和金属之间的全反射产生，等离子体振子就在金属和电介质的连接界面上产生，测量也这里进行。在配置中，金属层的厚度是用来决定等离子体振子共振的最根本的参数。最佳的厚度可由很多种方法得出，如可通过M.Shuber的Polarization-dependent optical parameters of arbitrarily anisotropichomogeneous layered media，Physical Review B，vol.53，p.4265(1996)一文中的公式得出。
(b)设计周期性的结构，如金属层上的栅格。用这种方法，将产生光的衍射现象，它将指向周期结构，并导致光波矢量的增强。
kLIGHT=2πλϵdsinθ+N2πΛ]]>这里，Λ是周期结构的周期，N为光的衍射次数。用这种方法，金属层的厚度不再是重要的参数，但是周期和周期结构的深度将十分重要。
(c)用波导设备或光导纤维引导光。激发现象通过光在波导设备或光导纤维的核心处被限制而产生的逐渐消失的场来产生。
传统上，这些由光的入射激发表面等离子体振子的方法往往被用于测量/检测电介质折射率变化的的系统中(可能，特别用于棱镜耦合系统中)。
这些测量和检测系统基于一个事实，就是等离子体振子共振的激发条件取决于电介质的折射率nd。这就意味着，如果折射率改变，等离子体振子的激发条件也会相应的改变。在共振的时候，这种变化可以由不同的方法检测到，如在波长一定的条件下，在配置好的棱镜耦合设备中，由光的入射角来分析光从金属的反射。
图3A给出了一种测电介质折射率变化的已知设备，其中包含一个带有横向磁化偏振的单色光源20(也就是“TM偏振”或者是“p偏振”，如在光的入射表面的电场)，一个光强检测器30，它连接到一个电子数据处理设备40，这个设备用来接收分析光强检测器的输出。另外，此设备还包含一个耦合棱镜10，一个薄金属层100(通常是金)，它放在棱镜10表面上，在金属层另一表面还有一个电介质200(如液体)，也就是与金属层表面接触，但不与棱镜表面接触。光21经金属层反射，并且反射光指向光强探测器30，用它来探测光的强度并由电子数据处理设备40记录其数据。
图3B给出了棱镜10和金属层100如何根据光源20旋转，从而使得光的入射角θ21取不同值(这可以通过同时或分别移动光源和由棱镜10和金属层100组成的单位体实现)。
正如上面所解释的，等离子体振子的激发条件依赖于几个因素，如光的波长，入射角θ和折射率nd。如果所示配置的初始入射角很小，并且逐渐增加，当它达到一个值时，全反射就会在棱镜10和金属平面或金属层100的相交界面发生。如果这个入射角θ继续增加，反射的光强将发生很大衰减，直到一个最小值，这时等离子体振子波的激发现象将金属的另一表面同时进行。等离子体共振的激发条件依赖于入射角θ和电介质折射率(nd)，当其它参数(如电介质常数εm和其它金属层特性)保持不变，电介质折射率(nd)和入射角θ的改变将导致最小强度反射光的产生。
图4表示在两个不同折射率(nd1＜nd2)下的，以入射角θ为自变量，反映与TM偏振相关的反射光强度(由检测器30测出)的函数的曲线。正如图中观察可知，折射率从nd1到nd2的增长引起了Rpp(θ)曲线向右边的移动，这是由于入射角的增长，从而产生等离子体振子的激发。用这种方法，通过扫描θ值，产生激励现象的角度变化就能够被计算出来，并且这个变化涉及了电介质200的折射率的变化。
也就是说，量化在共振发生时角度的变化提供了一种测量折射率变化的方法。另一方面，根据共振时曲线的狭窄的程度，共振时角度变化的灵敏度也可以被检测出来。在这种方法实行依赖于所用金属，层的厚度和光的波长。通常配置为50nm的金层和632nm的波长。
另一种检测折射率变化的方法是保持入射角θ一定，去测量反射率(在图4中，如果使θ＝72，折射率从nd1到nd2的增加将能由反射率的增加表示出来，等等)。在上面的情况下，传感器的灵敏度取决于共振顶点的狭窄程度。
如果不是改变入射角θ，而是改变光的波长，则也可以达到同样的效果，当与金质层相临近的电介质的折射率发生改变的时候，谐振波峰就会发生移动。这同样适合与周期性结构激发和波导管激发。
现在，有很多的系统可以检测出基于表面等离子体振子共振的折射率变化；已公开的此类系统有US-A-5912456US-A-5485277US-A-2003103208显然，这种传感器的直接应用就是折射计(用于测量折射率的变化量)。然而，目前，这种传感器另一个重要的应用就是生物传感器和化学传感器。电介质内的表面等离子体振子波的渐消失场的穿透距离是100nm。因此，发生在金属层表面的生物分子的相互作用将局部地改变表面折射率。这种变化将会轮流地在等离子体振子的传播矢量上引起变化，并且，结果是，使其处于共振状态。通过前面提到的方法可以找到这个变化。
如图5所示，生物传感器的使用是基于预先将受体生物210固定于金属层表面100。这些受体生物可以被选择性地限制为分析物分子220，且其可以被找到其可以存在于与金属层相接触的液体中。当分析物分子220被限定为受体生物210时，金属层表面的折射率将会再次局部发生改变，而这将会轮流改变等离子体振子共振条件。
目前，有许多的商业设备，还有很多的文章描述不同类型的测量设备和这种传感器的应用。
表面等离子体共振传感器在检测折射率变化方面一般具有很高的灵敏度，就像低生物浓聚物一样的好。然而，有时候，他们却不够灵敏，例如目前我们都知道，传感器在检测折射率变化量低于10-5，当用作生物传感器时分子的重量很轻(低于1000单位原子量)时存在问题。用这种方法去检测特定的物质比如化学有毒物质或者环境污染药剂等是复杂的并且是不能被恰当直接地去执行(用上面提到的技术)。

发明内容
为解决这些问题，本发明的一个目的就是增加表面等离子共振传感器的灵敏度极限。
为此，本发明利用下面这个事实不是只有贵金属(如黄金，白银等)才能制造表面等离子体振子波。还有其它的金属，如铁磁金属(例如铁，钴，镍)，由于他们的某些光学特性也可以用来制造等离子体振子波。然而，如图6所示，这些等离振子显示很强的吸收性，这是在等离子体振子的宽广曲线下的变换，图中比较了TM偏振光(Rpp)根据入射角θ的50nm金(Au)层和20nm的钴(Co)且其波长为632nm(nd1和nd2为邻近电介质的不同的折射率且nd1＜nd2)，这些宽曲线首先暗示着检测折射率变化的低灵敏性。
然而，铁磁材料是磁光活性材料，例如，当他们受磁场影响，改变他们的磁化状态，改变与他们相互作用光的光学性质。这些材料的典型作用是磁性材料反射和发射的光的极化平面的旋度，克尔和法拉第旋度，分别改变发射率，传递率，二向色性和双折射作用。
尽管，如上所述，使用铁磁采用的表面等离子体振子波有很强的吸收性，但是，当等离子体振子在这些层上激发时，磁光性将会大大增强，具体请参看以下文章P.E.Ferguson，O.M.Stapsudd，and R.F.Wallis，Enhancement of the transverse Kerrmagneto-optic effect by surface magnetoplasma waves(表面磁等离子体波的横向克尔磁光效应增强)，Physica vol.89B，pp.91-94(1977)C.Hermann，V.A.Kosobukin，G.Lampel，et al，Surface-enhanced magneto-opticsin metallic multilayer films(金属多层薄膜磁光表面增强)，Phys.Rev.B，vol.64，235422(2001)磁光效应依赖于磁化的方向；图7A-7C，简要地说明铁磁材料的层300的磁化强度，在那上面TM偏振光线21下降(光入射平面22内部电场)，也就是说图7A极性结构，即磁化强度M垂直于层面。
图7B纵向结构，即磁化强度M平行于光入射面，平行于层面。
图7C横向结构，即磁化强度M垂直于光入射面，平行于层面。
因此，当等离振子被激化时磁光效应可分解如下a)当磁化强度为极化结构时，旋度和反射光的极化平面的椭圆率增加。图8显示了旋度“r”和椭圆度“e”与光21的入射角为θ的函数关系，且他们是棱镜耦合结构，在铁磁材料的层上，如果这样的话，在20nm钴层上，为极化磁化强度。
b)当磁化强度为纵向结构时，旋度和反射光的极化平面的椭圆率增加。这种结构磁光效应一般小于极化结构。
c)当磁化强度为横向结构时，TM偏振光反射率Rpp的相对变化量δpp增大。而且δpp也可以定义为2个已给磁化强度(M1和M2)(横向状态)反射率(Rpp)的差分除以基准磁化强度状态(Mref)的反射率δpp=ΔRppPppREF=Rpp(M1)-Rpp(M2)Rpp(Mref)]]>这两个给定的磁化强度状态也可以是相反方向的饱和磁化强度M，即ΔRpp＝Rpp(M)-Rpp(-M)而且，它也可以去测量非相反磁化状态的反射率，如ΔRpp＝Rpp(M)-Rpp(0)一般认为基准反射率为Rpp(Mref)＝Rpp(0)也有些地方使用其它的基准反射率如Rpp(Mref)=Rpp(M)+Rpp(-M)2]]>图9显示了反射率的相对变化δpp=Rpp(M)-Rpp(0)Rpp(0)]]>其为棱镜耦合结构，20nm的钴层，横向磁化结构的关于入射角θ的函数。因此，在这种测量结构中，必须有在M1和M2状态之间横向磁化强度的连续变化，而且他们也是可以获得的，例如，通过在层上包含旋转的磁化强度。
在出现表面等离子振子，波磁光效应的增长已经应用于磁光转换器来再制造已记录于磁介质的信息。已公开的资料如US-A-3636535和US-A-3545840。
本发明的创新在于出现表面等离子振子波利用磁光效应以改善基于等离子振子共振的折射光传感器的灵敏度。也就是说，本发明是基于铁磁材料的磁光效应和金属，电解质交接处的表面等离子振子共振。这两种现象的联合增长了磁光效应。就像在常规等离子振子共振的情况下，这种磁光效应得增长依赖于和表面等离子振子相接触的电解质的折射率。磁光效应得增长在等离子振子共振上是非常受到局限的。因此，它将对折射率的变化非常的敏感，也允许增加传感器灵敏度限制。因此，折射率的小的变化将会引起磁光效应的巨大变化。
这样，本发明第一方面就是检测电解质折射率变化的设备。该设备至少由以下几个部件组成-至少有一个设定为与电解质相接触的金属层(举例来说，直接与电解质相接触或者被几个有保护作用的附加层相分开)。
-至少有一个设定为朝向该金属层的直接横向磁性偏振光(如“TM极化”或“P极化”，也就是入射光平面有电场)的光源，这样光就在这样的金属层上反射。
连接工具把光线和金属层耦合在一起，这样当光线照射到金属层时，光线就可以激发金属层表面等离子体振子共振。这种连接工具可以由一个比完成测量的电介质折射率更大的棱镜构成(金属层可以沉着在棱镜表面，所以光线要通过棱镜到达金属层表面)。另一方面，连接工具也可以由一种周期性的结构构成，例如在光线照射的金属层表面上的栅格，或者是用波导管或光导纤维接收光线这样能够让光线沿导管传播，而且它的渐消失域可以激发金属层表面等离子体振子。通常在这种设备中这种连接工具有大量的应用，作为常规方法，也可以在发明中直接应用。
至少用一个检测器接收金属层反射的光线并加以检测，至少能检测出光线的一个特征(譬如它的旋度、椭圆度、强度)；检测器能产生一个检测特征的值的相关的(譬如比例)输出信号。
根据本发明，金属层(如果有多个金属层，那么至少其中之一)有一种铁磁性材料(例如铁、钴、镍)。举几个例子，金属层可以由铁磁性材料制成(只有一种铁磁性材料或多种铁磁性材料的化合物皆可)；由至少一种铁磁性材料和至少一种非铁磁性材料的合金构成；由磁性粒子(例如毫微粒，微粒等)嵌入金属介质(例如钴粒子嵌入金)加工而成；或者由一组带磁性的金属粒子嵌入电介质加工而成。
尽管铁磁性材料是显而易见的，乍一看，这种应用形式不如常规应用的金属(主要是金和银，它们的等离子体振子共振波要比铁磁性材料要窄)适合，如果我们依靠等离子体振子共振利来使磁光效应增强，那么它们的使用允许灵敏度就被增强了。这样，本发明的传感器或检测器与有铁磁性材料的曾可以方便的磁化，这样就能极大的提升灵敏度。
这种设备可以包括磁化工具配置来磁化金属层。这种磁化工具可以由设备的总控制系统来控制，可以由磁铁、电磁铁、卷带马口铁等加工而成。
这种磁化方式可以磁化金属层，使它具有极性，纵向或横向结构，或是以上各种的综合，举个例子，参见控制系统的使用说明。磁化方向的选择取决于希望检测到的光线的特征和以之为基础而决定的电解质折射率的变化。举个例子，如果磁化成极性或是纵向结构，则希望测量的光线特征是旋度(r)和椭圆度(e)。另一方面，如果磁化成横向结构，则希望测量的光线特征是反射光线Rpp的强度，以及在此强度下基于相对误差δpp的分析，取决于两种已知的状态之间的磁化状态是如何变化的。
在磁化成极性或是纵向结构的情况下，如果入射光由TM偏振光构成，那么反射光就会由于光的旋度有TE(横向电)和TM两种成份。旋度和椭圆度是由角度和在TM成份和反射的TE和TM成份的矢量和产生的矢量之间移动的相位来定义的。理论上，偏振光(Rpp和Rps)的强度可以通过光成份分离来分开这两偏振光和两光检测器来测量光都可以分成这两种偏振光，可以同时由两个不同的检测器测试。举个例子，测量可以通过查找光的不同于信号0的成份的角度，也可以通过检测适当的TE和TM成份的组合等。
磁化工具可以通过设定，能改变金属层磁化的状态(也就是方向和模数/数量)，在横向磁化可以达到的情况下，这是必须的。举个例子通过旋转金属层磁化平面，依靠电磁铁、卷带马口铁或磁铁沿同方向转动即可简单得到。这样，光线的反射率δpp的相对变化就可以在金属层之内旋转磁化的时候被检测出来(使用检测器同步进行磁化旋转)，以此作为确定折射率的基础。
磁化状态的改变不仅在横向磁化的情况下有用，而且在极性和纵向磁化的情况下也有用，因为能周期性的连续改变磁化状态，允许同步的或同相检测，也可以执行傅立叶分析。因此，如果磁化状态M周期性改变，反射率也同样发生周期性变化(Rpp(Mcoswt))。
反射率可以分解成一下傅立叶级数Rpp(Mcoswt)＝Rpp(0)+Rpp(1w)+Rpp(2w)+…不同的谐波对应不同函数，所以傅立叶分析中第一谐波的项是Rpp(1w)所以
δpp=ΔRppRppREF=Rpp(M)-Rpp(0)Rpp(0)≈Rpp(1w)Rpp(0)]]>因此其它的项小或为零。
同步检测可以直接得到项Rpp(1w)。如果傅立叶分析直接得到检测信号(例如，用采集卡软件)，Rpp(0)，Rpp(1w)，Rpp(2w)…就能分别得到，然后，这些参数可以分开的获得δpp。一个简单的在横向情况下制造周期性磁化的方法是通过用旋转的磁铁(可以用不回转的卷带马口铁震荡制成)在样本平面上旋转。从而，磁铁的旋转频率(等于磁化的旋转频率)的引入作为同步检测器的参考，同步检测器直接给出项Rpp(1w)作为输出。
在测量极性或纵向结构的情况下，为了完成同步检测或傅立叶分析，用周期性变化的磁化状态测量也极有优势。同步检测(锁定)在检测信号是常常用到，因为它噪声比较小而灵敏度较高。
此设备可由电子数据处理工具构成，来处理检测器输出的对应于反射光特征的信号。信号处理和分析的最佳情况是用合适的软件来达到。理论上，电子处理工具可以连接到控制系统上，协调磁化工具和入射方向(入射角θ)和金属层上光线波长的变化。
举个例子，电子数据处理工具可以和磁化工具同步，所以至少改变入射光线的一个特征就可以通过分析同步改变金属层的磁化状态(如果希望检测横向磁化构造的光线反射率相对误差δpp，某些量就较重要)。
检测器能检测出反射光线的强度(Rpp)，电子数据处理工具能确定放射光线在两个特殊的铁磁层磁化状态之间的误差(ΔRpp)。在这种情况下，电子数据处理设备能计算出反射光线强度误差(ΔRpp)和反射光基准强度(RppREF＝Rpp(Mref))之间的比例δpp。
通过至少一个被检测光线的特征，作为一个照射在金属层表面光线的入射角(θ)的函数，此设备可以用来检测电介质折射率(nd)的变化。这种结构和上述的常规系统类似，所不同的不仅是反射光线强度是已测量好的，而且由于磁光效应。例如，光线的旋度或椭圆度，在横向磁化的情况下，强度相对误差在已知的两个横向磁化状态之间。
通过至少一个被检测光线的特征，作为一个照射在金属层表面光线的波长的函数，此设备可以用来检测电介质折射率(nd)的变化。
此设备包含许多金属层，其中至少有一层包含铁磁性材料。
在实践中，有多个层是可取的，例如，一个层中有铁磁性材料，一个层是耐腐蚀材料(例如金)，哪一层与电介质接触呢(在实际中，电介质往往是腐蚀性材料)。
磁光效应取决于金属层的厚度和光线的波长。最佳厚度和磁光效应可以精确的从上述构造中估计出来。为了在铁磁性金属层上激发表面等离子体振子波，在上面描述的常规的传感器中使用的技术也可以用到这上面(棱镜连接，周期性结构或波导管)。
本发明的另一个方面涉及到检测电介质折射率变化的一种方法，它包括以下几个步骤依靠选择器联结工具，在金属层(300)内检测横向的磁偏振光(也叫着“TM偏振”或者“p偏振”，也就是光入射面内的电场)，所以当光线照射到金属层时就可以在金属层激发表面等离子体振子共振，并且至少有一部分光被金属层反射从而射向探测器(31)；通过探测器，至少检测该反射光的一个特征，并且至少产生一个和该特征对应的探测信号；分析这些探测信号，并且从这些信号中测定至少一个和电介质折射率相关的方面；特征在于用到了含铁磁性材料的金属层(300)。例如该金属层是由铁磁性材料(仅一种或者由多种铁磁性材料结合在一起)制成的它是由至少一种铁磁性材料和至少一种非铁磁性材料制成的合金；它是由含有金属介质(如混有钴的金)的磁性微粒子形成的；或者它是由很多嵌入在电介质中的磁性材料金属微粒形成的。
加以必要的变更，上面讲到的有关本发明的设备对于这种方法也是适用的。
该方法包含磁化金属层的步骤，举例来说在极性构造上(例如在这种情形下，能够分析出反射光旋度和/或者椭圆度的改变)、在纵向构型上(例如在这种情形下，能够分析出反射光旋度和/或者椭圆度的改变)、或者在横向构型上(例如在这种情形下，当改变两种给定的横向磁化状态的磁化状态的时候，就能够分析出反射光强度相应的变化δpp)。金属层的磁化状态(也就是方向和/或者模数)能够被有序地被改变，就像下面所描述的。
涉及到确定的电介质折射率的方面可以是
折射率的绝对值；和/或者折射率是否发生改变的一个指标；和/或者折射率改变量级的一个指标。
在金属层磁化状态连续改变的情况下，可以随着磁化状态的改变同时地完成探测信号的分析步骤，从而该信号的变化可以随着金属层磁化状态的变化而得到实时的分析。在这种情况下，探测信号就可以作为反射光强度(Rpp)的一个指示信号(例如和反射光强度成比例)，于是分析探测信号的步骤就可以包括以下几个步骤确定两个给定磁化状态之间的折射光强度的变化(ΔRpp)，并用该变化量除以基准强度RppREF；给出运算结果和电介质折射率之间的关系。
若用到的不是单一的金属层而是很多的金属层，那么它们中至少有一种含有磁性材料。


为了能使对本发明有一个更好的理解，下面将对这一系列图纸做一个简要说明。它们中的一部分和本发明的一个具体设备特别相关，在其中将作为说明性的和非限制性的例子。
图1简要地说明了表面等离子体振子的电场分布情况。
图2是在组合棱镜的基础上简要说明了用光线激发表面等离子体振子的传统结构。
图3A和3B是依照现有技术，简要说明了电介质折射率探测发生改变的系统。
图4是通过图表显示了两条曲线，它们反映了对于电介质在两种不同的折射率(nd1，nd2)下，光线入射角θ的不同角度和TM折射光的强度Rpp之间的关系。
图5简要说明了表明等离子体振子共振传感器在生物传感器应用中的具体细节。
图6是通过图表中的曲线举例说明了在不同的材料下，反射率Rpp作为入射角θ的一个函数之间的关系。
图7A-7C简要说明了同一铁磁性材料层的不同磁化结构。
图8是通过图表说明了对于同一铁磁性材料层在极性磁化结构下，旋度和椭圆度作为光线入射角θ的函数之间的关系。
图9是通过图表说明了在横向磁化结构下，反射率的相对变化δpp作为光线入射角的函数之间的关系。
图10说明了一种与本发明首选设备相一致的结构。
图11A是在对实际情形仿真的情况下，通过图表说明了反射光线强度的变化，这当中所用到的测量方法和现有技术现状是一致的。图11B-11D用与本发明首选设备相一致的系统仿真来说明了光线特性的测量结果。
图12列出了一系列和本发明实际设备相适合的金属层。
具体实施例方式
图10说明了一种与本发明首选设备相一致的设备结构，它包括被放置在棱镜10表面(例如直接接触或者通过一种和棱镜有相同折射率的介质间接接触)的磁化材料(例如铁，钴或者镍)金属层300，同时棱镜的自由表面和电解质200接触(棱镜用于必要的连接以产生等离子体振子共振)；指引TM偏振光21射向金属层300的光源20，这样光线就能被金属层反射；以及被用来接收金属层反射光的探测器31。该探测器至少要能够检测出反射光的一个特性(例如旋度、椭圆度和/或者强度)。并且该探测器要能够产生出输出信号32，该输出信号通过一个电子的数据处理器41分析，从而来说明探测到的光线特性。此处提到的电子数据处理器41可以是计算机的一部分或者类似的设备。
磁化元件50能够以不同方式来磁化金属层300，被看作控制信号的函数施加于该磁化元件。例如，作为该信号的一个函数，此磁化元件能够以极向结构(和图7A所示相似)、纵向结构(和图7B所示相似)、和/或者横向结构(和图7C所示相似)来磁化金属层。磁化方式的选择将取决于一个人想要检测的光线的特性，并以此作为后来要确定的电介质折射率的一个基础。
举例来说，假如一个人想要测量光线的旋度(r)和/或者椭圆度(e)，那么以极向或者纵向结构来磁化将是很合适的。图11B和11D分别说明了旋度(r)和椭圆度(e)的测量方法，在极向磁化的情况下仿真的结果，它们被看作光线入射角θ的一个函数，同样传感器估测灵敏度η也被看光线入射角θ的一个函数。(灵敏度由以下公式计算得出η=(1/Smax)×(∂S/∂nd),]]>此处Smax是测定信号的最大值，S是测量信号的值，而nd是电介质的折射率)更确切地说，传感器灵敏度η关于折射率的变化被定义为作为电介质折射率变化的一个函数的测量信号的变化，符合信号最大值的标准。通过将图11B和11D中的灵敏度η和图11A中的灵敏度做比较可以观察出，在一种磁化结构下反射光线的强度Rpp和现有技术现状(50nm厚的金属层)是一致的，至少在理论上，本发明可以得到更高的灵敏度(随着一个比10大的因子而增加)。
另一方面，根据其磁化状态在某一光线强度，将分析建立在相对变化δpp的基础上，磁化元件50被配置成能够产生连续的磁场，例如在横向磁化结构内改变磁化方向或者在金属层平面内旋转磁化，也就是产生一个连续的金属层磁化状态的改变，在上述情况下假如有待测量反射光线的强度，那么横向的磁化结构将会更好。然后，光线强度Rpp的测量就能够在横向磁化的两个具体时刻完成，并且在那些磁化状态之间的相对光线强度δpp的变化就能够作为折射率测定的一个基础。这都可以通过一个同步检波使磁化元件控制器50和探测器41输出信号的分析达成同步来完成。
图11C说明了在横向磁化交替方向的情况下，将δpp检波作为光线入射角θ的一个函数，同时将相应的灵敏度η的估测作为光线入射角θ的一个函数进行仿真的结果。同样在这种情况下，仿真结果也说明了关于传统的图11A所示的情况，随着一个比10大的因子灵敏度会增加。
图12简要说明了一系列金属层，包含如下几个部分第一个14nm厚的钴层300，它位于棱镜10上面(例如直接接触或者通过一种和棱镜有相同折射率的介质间接接触)；第二个1nm厚的铬层301，它被用来将第三层附着在第一层上；第三个29nm厚的金层302，它和电介质相连。
给出的那个金层有很好的抗腐蚀性，这样第一层300就能够避免其他电介质可能会产生的腐蚀效应。
就所描述的磁化结构，有很多种方法来检测影响其折射率的电介质的变化。主要地，光线有两个参数，即入射角θ和波长λ。因此i.波长保持不变而入射角可以变化(获得如图11B-11D所示的曲线类型)。
ii.入射角保持不变而波长可以变化。
iii.波长和入射角都可以变化。
iv.波长和入射角都保持不变，而检测到的信号的特性改变可以测量(在横向磁化下的δpp，以及在极向或者纵向磁化下的旋度和/或者椭圆度)。
所公开的设备可以使用，例如作为折射计、化学传感器或者生物传感器。
材料、尺寸规格、形状和各器件的排列顺序可以改变，只要不改变本发明的基本概念。
在当前说明书和和权利要求书中，术语“包含”以及其变化形式如“包含有”并不排斥其他的步骤或者成分。
权利要求
1.一种检测电介质(200)折射率变化的设备，它包括至少一个金属层(300)，它被用来和电介质(200)保持接触；至少一个光源(20)，它被用来将横向磁化偏振光导向金属层以便光线能照射到金属层；联接工具(10)，它被用来联结光源(20)和金属层(300)；从而当光线落到金属层的时候就能够在金属层表面激发表面等离子体振子共振；至少一个探测器(31)，它被用来接收越过金属层向下的反射光并且至少检测出光线的一个特性；其特征在于金属层包含铁磁性材料。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于本设备还包含磁化工具(50)，它被用来磁化金属层(300)。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于磁化工具(50)被用来以极化磁化金属层。
4.根据权利要求2所述的设备，其特征在于磁化工具(50)被用来以纵向磁化金属层。
5.根据权利要求2所述的设备，其特征在于磁化工具(50)被用来以横向磁化金属层。
6.根据权利要求3-5任意一个所述的设备，其特征在于磁化工具(50)能够连续地改变金属层(300)的磁化状态。
7.根据上述权利要求任意一个所述的设备，其特征在于它包含电子数据处理器(41)，此处理器被用来处理从探测器(31)传来的输出信号(32)，而探测器(31)至少和反射光线的一个特征相对应。
8.根据权利要求6或权利要求7所述的设备，其特征在于电子数据处理器(41)和磁化工具是同步的，从而反射光线的至少一个特征的变化就能够和金属层(300)的磁化状态的变化进行同步分析。
9.根据权利要求3所述的设备，其特征在于检测器被设定为检测，至少，反射光的旋度(r)和/或者椭圆度(e)的变化。
10.根据权利要求4所述的设备，其特征在于检测器被设定为至少检测反射光的旋度(r)和/或者椭圆度(e)的变化。
11.根据权利要求5或8所述的设备，其特征在于检测器被设定为检测反射光的强度(Rpp)且以此，电子数据处理工具被设定为确定2给定横向磁化状态的反射光强差(ΔRpp)。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于电子数据处理工具被设定为计算反射光强差(ΔRpp)与反射光的基准强度(RppREF)的比值(δpp)。
13.根据前面的权利要求任意一项所述的设备，其特征在于它被设定为检测电介质折射率(nd)的变化，从这些检测光至少一个特性中，且其是金属层(300)上光入射角(θ)的函数。
14.根据前面的权利要求任意一项所述的设备，其特征在于它被设定为检测电介质折射率(nd)的变化，从这些检测光至少一个特性中，且其是金属层(300)上反射光波长的函数。
15.根据前面的权利要求任意一项所述的设备，其特征在于金属层为铁磁材料。
16.根据权利要求1-14中任意一项所述的设备，其特征在于金属层为至少一种铁磁材料和至少一种非铁磁材料的合金。
17.根据权利要求1-14中任意一项所述的设备，其特征在于金属层通过在金属介质中内嵌磁性粒子成形加工。
18.根据权利要求1-14中任意一项所述的设备，其特征在于金属层通过一套在电介质中内嵌含铁磁材料的金属粒子成形加工。
19.根据前面的权利要求任意一项所述的设备，其特征在于它包含多数的附加金属层，至少有一个所说的层(300)含有铁磁材料。
20.检测电介质折射率变化的方法，为以下几个步骤直接横向磁性偏振光朝向金属层(300)且以以下的方式通过选定的耦合工具，当光指向金属层可以激活其上的表面等离振子共振，还有至少有一部分光被金属层反射，朝向探测器(31)；用探测器至少检测这些反射光的一个特性且产生与此特性相应的检测信号(32)；分析检测信号并从中确定至少出与电介质折射率相关的一个方面；其特征在于包含铁磁材料的层被用作金属层(300)。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于它由磁化金属层(300)步骤所组成。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于金属层被磁化为极性结构。
23.根据权利要求21所述的方法，其特征在于金属层被纵向磁化。
24.根据权利要求21所述的方法，其特征在于金属层被横向磁化。
25.根据权利要求22-24任意一个所述的方法，其特征在于金属层(300)的磁化状态是顺序改变的。
26根据权利说明20-25任意一个所述方法，涉及到电介质折射率的特征包括-折射率的绝对值；-折射率是否改变的指示；-折射率大幅改变的指示。
27.根据权利说明25所述的方法，具有检测器信号分析的步骤和磁化状态的变化同步进行的特征，所以信号分析和金属层(300)的磁化状态的变化是一致的。
28.根据权利要求22或者23所述的方法，其特征在于折射光线的旋度和/或者椭圆度的至少一个变化得到了分析。
29.根据权利说明24或27所述的方法，有检测信号喜显示反射光线的强度的特征，检测信号分析的步骤包括两个不同横向磁化状态之间的反射光线强度误差(ΔRpp)的确定和以此涉及到的电介质折射率的误差。
30.根据权利说明29所述的方法，检测信号分析的步骤包括计算反射光线强度误差(ΔRpp)和反射光线基准强度RppREF间的比例(δpp)。
31.根据上述所有权利说明所述的方法，金属层(300)包括的铁磁性材料是众多金属层的一部分。
全文摘要
检测电介质折射率变化的设备包括金属层(300)至少要和电介质(200)相接触；光源(20)发出的横向磁化(TM)偏振光直接照射在金属层上，所以光线在金属层上发生反射；连接工具(10)；检测器(30)接收金属层反射光线并检测此光线的特征。依据本发明，金属层包括铁磁性材料。本发明也涉及了相应方法。
文档编号G01N21/55GK101069087SQ200580019079
公开日2007年11月7日 申请日期2005年6月10日 优先权日2004年6月11日
发明者博亚·赛普维达马丁内兹, 盖斯波·阿迈勒斯瑞格, 劳拉·M·莱楚格高迈兹, 安娜·考勒马丁 申请人:高级科学研究理事机构