专利名称：一种古斯汉欣位移传感测量方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及传感检测领域。本发明具体涉及古斯汉欣位移测量方法，以及实现该方法的测量系统。
背景技术：
古斯汉欣效应(Goos-HSnchen effect,简称GH效应)是一种特殊的光学现象。当有限宽光束在界面发生全反射时，将可能发生一系列的非镜面反射现象，古斯汉欣效应就是其中一种，表现为线性极化光在全反射的过程中经历一小段位移:即反射点相对于入射点在相位上有一个突变，而反射光相对于入射光在空间上有一段侧向距离，这一距离被称为古斯汉欣位移。该现象由Fritz Goos和Hilda Lindberg- Hanchen 1947年首先在实验中验证，因故得名。在理论研究方面，20世纪60年代以前，在实验上观察到古斯汉欣位移后，K.Artmann和Fragstein就分别用不同的方法推导出了古斯汉欣位移的计算式，其中Artmann的计算公式沿用至今。1961年和1977年，R.H.Renard等人又提出了能流法和角谱法。此后，古斯汉欣位移发生的对象也由单界面扩展到多层膜结构或周期性结构、薄膜结构、甚至光子晶体等。2002年PR.Berman报导了负折射率介质中的古斯汉欣位移。而更有效的方式是通过激发表面波来增强GH效应。能产生GH效应的反射，必先激发产生倏逝波，而所谓的GH位移也可被想象成由于入射光在反射表面，以表面波的形式传播、并在入射介质中穿透一定距离后反射造成的，而系统中表面波的激发和增强则会增强GH效应。Schreier等人在1998年理论计算了在两种不同衍射结构发生振荡条件时的GH位移。2004年，斯坦福大学的Yin等人采用位置敏感探测器及锁相放大器，在一个典型表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance, SPR)检测系统中测出了 50倍波长量级的GH位移。布洛赫表面波(BSW)是一种在光子晶体结构表面积法,沿界面方向传输的表面波。作为表面电磁波(Surface Electromagnetic Wave, SEW)的一种,布洛赫表面波与表面等离子体波有许多相似之处，具有较大的传感应用潜力。近年来，在包括传感和集成光子波导等领域引起了越来越多的关注，并有望成为一种SPP的替代技术。光子晶体是由不同介电常数的介质材料在空间呈周期性排布的结构。当电磁波在其中传播时，遵循折射、反射、透射原理，电子周期性的布拉格散射使电磁波受到调制而形成类似电子的能带结构。这种能带结构被称为光子能带。在适合的晶格常数和介电常数比的条件下，在光子晶体的光子能带间可出现某些特定频率的电磁波无法透过的频率区域，类似电子能带隙，此频率区被称为光子带隙(photonic band gap, PBG)或者光子禁带。因此光子晶体材料也被称为光子带隙材料。根据周期性排布的方向和维度不同，光子晶体可以分为一维、二维和三维。光子晶体中存在光子禁带的物理机理是基于固体物理的布洛赫理论。当电磁波在一个具有分立、平移对称性的节点空间中传播时，由电磁场理论可知，在沿折射率周期变化方向的电磁场分布为被周期性函数所调制的平面波的形式，成为布洛赫态(Bloch State)，显著特征是其波矢在该方向具有周期性，且其在光子晶体中传播时无需再考虑散射效应。根据布洛赫原理，和电子带隙出现的原理类似，光子晶体中周期性变化的折射率分布可以看做平局折射率和周期性微扰的作用，此微扰作用即造成布洛赫边缘出现频率带隙。在此频率带隙中，光波的波矢没有实部，这意味着在此带隙中，光波不得以波动形式传播，而是以电磁场指数衰减的光波形式存在。为了激发这一模式，可以通过在完美的光子晶体结构中间引入一个缺陷层，从而在光子晶体内部激发局部模式；也可以通过在光子晶体结构表面末端引入一层介电材料，从而在光子晶体表面激发表面波。通过构建一维光子晶体结构，可在一维截断的PBG结构表面激发布洛赫表面波，产生显著增强的古斯汉欣位移，另一方面由于该结构均由无损材料组成，光学损耗远小于由金属材料组成的SPR结构或金属光栅等结构，从而可同时获得较大的古斯汉欣位移和较小的光学损耗。利用这种超大的由表面波增强的古斯汉欣位移进行传感检测是一种新的高灵敏度传感检测方案:采用类似SPR检测系统的耦合方式，通过检测反射光点的位置及其变化，获得与布洛赫表面波结构相邻的外部介质的物理特性变化(如折射率等)。而现有的古斯汉欣位移检测方法，由于存在机械振动和长时间的温度变化等造成的信号漂移，检测到的光点位置结果存在较大噪声和漂移，系统较为脆弱且系统误差较大。
发明内容
因此，根据现有技术存在的缺陷，本发明的任务是提供一种能提高系统稳定性的古斯汉欣位移测量方法；本发明的另一任务是提供一种使用上述测量方法的测量系统。一方面，本发明提供了一种古斯汉欣位移的测量方法，包括以下步骤:(I)将具有一定偏振态的单色光束经过可调偏振控制器件后，通过光学耦合装置入射到能产生古斯汉欣位移的待测光学器件，然后对反射或透射光束的位置进行检测；(2)步骤(I)中的可调偏振控制器件由时变信号驱动，使得通过该器件的光束的偏振态随时间变化并在至少两种不同的偏振态之间反复变化；( 3 )对于不同的偏振态，步骤(I)中的光学器件在所述光束入射条件下可产生不同的古斯汉欣位移；(4)根据步骤(2)中对改变光束偏振态的时变信号的规律，测量反射或透射光束的位置，并通过分析不同时刻的反射或透射光束的位置，获得古斯汉欣位移信息。上述方法中，所述能产生古斯汉欣位移的待测光学器件的物理特性变化能产生随之相应变化的古斯汉欣位移。上述方法中，当待测光学器件的物理特性(如与待测光学器件表面的样品折射率或样品薄层厚度等)发生变化时，在步骤(4)中可获得古斯汉欣位移及其变化信息。上述方法中，入射到待测光学器件的角度为入射光在某一偏振态下能激发古斯汉欣位移的角度，在测量过程中，该角度不变。上述方法中，通过可调偏振控制器件的光束为线偏振光，优选为相互垂直的s偏振和P偏振态。上述方法中，所述能产生古斯汉欣位移的光学器件可以是通过激发包括表面等离子体波和布洛赫表面波在内的光学表面波器件，可以是通过激发波导模式以产生古斯汉欣位移的光学器件，也可以是利用包括弱吸收介质、弱增益介质、左手人工材料结构等在内的能产生古斯汉欣位移的光学器件。在一个示例中，通过控制可调偏振器件的驱动信号，使得出射光的偏振态周期性变化。在一个示例中，通过控制可调偏振器件的驱动信号，使得出射光的偏振态在不同时刻分别为s偏振和P偏振，在这两个偏振态下光学器件的古斯汉欣位移大小分别为可忽略和大于十倍波长量级。在一个示例中，产生古斯汉欣位移的光学器件为表面等离子体共振器件，在共振角度入射下，其在s偏振和P偏振下产生的古斯汉欣位移大小分别为可忽略和约50倍波长。在一个例中，产生古斯汉欣位移的光学器件为布洛赫表面波器件，在某一固定角度入射下，其在s偏振和P偏振下产生的古斯汉欣位移大小分别为可忽略和约1000倍波长。另一方面，本发明还提供了一种能有效抑制机械振动、基线漂移的古斯汉欣位移测量系统，包括窄带光源、可调偏振控制器件、时变信号源、光学耦合装置、能产生古斯汉欣位移的光学器件、探测器、信号处理系统。上述系统中，窄带光源可以是激光器，也可以是由宽谱光源和窄带滤光片组成的光源。上述系统中，所述能产生古斯汉欣位移的光学器件可以是通过激发包括表面等离子体波和布洛赫表面波在内的光学表面波器件，可以是通过激发波导模式以产生古斯汉欣位移的光学器件，也可以是利用包括弱吸收介质、弱增益介质、左手人工材料结构等在内的能产生古斯汉欣位移的光学器件。上述系统中，所述可调偏振控制器包括空间光调制器(SLM)、偏振控制器或偏振调制器等。上述系统中，所述探测器为光束位置检测器，包括位置敏感探测器(PSD)、bicell或电荷稱合元件((XD)等。上述系统中，所述信号处理系统包括能对所述探测器测得信号实施运算、放大的信号放大器、以及锁相放大器。在一个示例中，所述光学耦合装置采用传统的Kretschmann棱镜耦合装置。在一个不例中，时变信号源的输出信号驱动可调偏振控制器，同时作为参考信号输入到所述信号处理系统中的锁相放大器中。在一个示例中，时变信号源由软件产生，可调偏振控制器通过软件产生的信号控制，该信号转换成模拟电信号输出，并作为参考信号输入到所述信号处理系统中的锁相放大器中。本发明的古斯汉欣位移测量方法及其测量系统具有以下优点:1.按本发明的方法实现的传感检测系统中，通过共线的偏振调制方法实现待测信号和参考信号的差分检测，可有效消除共模噪声及其造成的基线漂移，显著增强系统的稳定性。
2.按本发明的方法实现的传感系统中的光源、光学元件和器件、检测设备等都可以固定不动，便于实现集成化、小型化和便携化。
图1是一种古斯汉欣位移测量系统组成框图。图2是实例中所述的古斯汉欣位移测量系统的检测原理示意图。图3是实例中包含古斯汉欣位移信息的信号的长时间检测结果。
具体实施例方式图1给出了本发明提供的一种古斯汉欣位移检测系统示意图。该系统包括在光路上顺序设置的窄带光源101、可调偏振控制器件102、包含待测光学器件的耦合系统103、探测器104、时变信号源105和信号处理系统106。其中可调偏振控制器件102由时变信号源105驱动控制，时变信号源105的输出作为参考信号输入到信号处理系统106。图2给出了本发明提供的一种古斯汉欣位移检测系统及工作原理示意图，包括窄带光源201，可调偏振控制器件202、光学耦合系统203、待测光学器件204、探测器205、时变信号源206和信号处理系统207。本实例中采用针对P偏振态设计的布洛赫表面波光学芯片作为待测光学器件，并采用传统的棱镜耦合方式激发光表面波(Kretschmann耦合装置)，以该偏振态入射到芯片上的光束，只会在某一角度下激发布洛赫表面波并产生古斯汉欣位移。实验采用的窄带光源201为980nm的FP激光器，光学耦合系统203中的耦合棱镜为三角形棱镜，材料为SFlO玻璃，待测光学器件204由布洛赫表面波光学芯片208和微流样品池209组成。微流样品池中的样品210与光学芯片208表面相邻。布洛赫表面波光学芯片的基底材料为ZFlO玻璃，其折射率为1.668，组成布洛赫表面波光学芯片的结构为10个周期高低折射率交替的介质薄层并以一层介质缓冲层结束。紧贴基底的为高折射率介质材料薄层，高折射率介质薄层的材料为二氧化钛，其折射率为2.3，厚度为163nm，低折射率介质薄层的材料为二氧化硅，其折射率为1.434，厚度为391nm,介质缓冲层的材料为二氧化钛，其折射率为2.3，厚度为23nm。在p偏振入射光下，微流样品210为水时，布洛赫表面波被激发时最大能产生将近800微米的古斯汉欣位移。而当微流样品的折射率发生变化时，最大古斯汉欣位移产生的角度位置相应变化，即同一角度下的古斯汉欣位移大小发生变化。实验系统中采用的可调偏振器件202为液晶空间调制器(LCM，CRil28D)，探测器205采用位置敏感探测器(PSD，Hamamastsu S3979)，对输出光点的位置进行检测。通过采用时变信号源206对液晶空间调制器的输出光的偏振态进行调制，使得输出光偏振态在s偏振和P偏振间切换，因此获得的位置敏感探测器的输出为交流调制信号。本实例中，图2所示的信号处理系统207由PSD信号放大器(ON-Trac 0T-301)和锁相放大器(Stanford Research530)组成。PSD信号放大器对PSD的输出信号进行放大和运算获得位置相关的电信号211，该信号作为待测信号输入锁相放大器，时变信号源206的输出212作为锁相放大器的参考信号输入。在进行传感实验时，微流样品池中的样品为不同浓度的甘油水溶液(体积比浓度从0.p/ο-θ.5%)，各相邻样品的折射率变化差为1.17*10_4RIU。连续时间测得的古斯汉欣位移/[目息如图3所75。上述古斯汉欣位移检测系统的检测方法如下:首先，FP激光器产生980nm的窄带单色光，经过透镜组等经过光束变换和准直，将准直后的光束入射到偏振片，获得具有一定偏振态的单色光束。使用信号发生器作为时变信号源驱动液晶空间光调制器，使液晶空间光调制器的输出光为偏振态在P和S偏振间周期性交替切换。然后偏振光通过使用棱镜耦合到如前描述的针对P偏振光设计的布洛赫表面波光学芯片表面，改变入射角度使光束在P偏振态下激发布洛赫表面波产生古斯汉欣位移，并将此角度固定，该角度下S偏振光不能产生。使用位置敏感探测器PSD (S3979)对出射光束进行检测，获得反映位置信号变化的调制信号；将经过PSD放大器的调制信号接入锁相放大器，同时将信号发生器的输出作为参考信号接入锁相放大器，可提取出低噪声的包含古斯汉欣位移信息的信号。最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的古斯汉欣位移测量方法及其测量系统的结构和技术方案，仅为本发明的优选实施方式，但本发明保护范围并不局限于此。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种古斯汉欣位移传感测量方法，包括以下步骤: (I)将具有一定偏振态的单色光束经过可调偏振控制器件后，通过光学耦合装置入射到能产生古斯汉欣位移的待测光学器件，然后对反射或透射光束的位置进行检测； (2 )步骤(I)中的可调偏振控制器件由时变信号驱动，使得通过该器件的光束的偏振态随时间变化并在至少两种不同的偏振态之间反复变化； (3 )对于不同的偏振态，步骤(I)中的光学器件在所述光束入射条件下可产生不同的古斯汉欣位移； (4)根据步骤(2)中对改变光束偏振态的时变信号的规律，测量反射或透射光束的位置，并通过分析不同时刻的反射或透射光束的位置，获得古斯汉欣位移信息。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述能产生古斯汉欣位移的待测光学器件的物理特性变化能产生与之相应变化的古斯汉欣位移，所述步骤(4)中通过分析不同时刻的反射光位置，获得古斯汉欣位移及其变化信息。
3.根据权利要求1-2所述的测量方法，其特征在于，可调偏振控制器件的输出光束为线偏振光，优选为相互垂直的s偏振态和P偏振态。
4.根据权利要求1-2所述的测量方法，其特征在于，所述能产生古斯汉欣位移的光学器件可以是通过激发包括表面等离子体波和布洛赫表面波在内的光学表面波器件，可以是通过激发波导模式以产生古斯汉欣位移的光学器件，也可以是利用包括弱吸收介质、弱增益介质、左手人工材料结构在内的能产生古斯汉欣位移的光学器件。
5.一种古斯汉欣位移传感测量系统，包括窄带光源、可调偏振控制器件、时变信号源、光学耦合装置、能产生古斯汉欣位移的光学器件、探测器、信号处理系统。
6.根据权利要求5所述的测量系统，其特征在于，所述能产生古斯汉欣位移的光学器件可以是通过激发包括表面等离子体波和布洛赫表面波在内的光学表面波器件，可以是通过激发波导模式以产生古斯汉欣位移的光学器件，也可以是利用包括弱吸收介质、弱增益介质、左手人工材料结构在内的能产生古斯汉欣位移的光学器件。
7.根据权利要求5所述的测量系统，其特征在于，所述窄带光源可以是激光器，也可以是由宽谱光源和窄带滤光片组成的光源。
8.根据权利要求5所述的测量系统，其特征在于，所述可调偏振控制器包括空间光调制器(SLM)、偏振控制器或偏振调制器。
9.根据权利要求5所述的测量系统，其特征在于，所述探测器为光束位置检测器，包括位置敏感探测器(PSD)、bicell或电荷耦合元件(CCD)。
10.根据权利要求5所述的测量系统，其特征在于，所述信号处理系统包括能对所述探测器测得信号实施运算、放大的信号放大器、以及锁相放大器。
全文摘要
本发明公开了一种古斯汉欣位移传感测量方法及其测量系统。该方法及系统利用时变信号对可调偏振控制器件进行调制，对于偏振相关的古斯汉欣位移信息进行共线检测。本发明通过共线的偏振调制方法实现待测信号和参考信号的差分检测，可有效消除共模噪声及其造成的基线漂移，显著增强系统的稳定性。
文档编号G01B11/02GK103148787SQ20131006981
公开日2013年6月12日 申请日期2013年3月5日 优先权日2013年3月5日
发明者郑铮, 何林芳, 万育航, 刘建胜 申请人:北京航空航天大学