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0431-81702023
光學工程
對膜厚不敏感的光譜表面等離子體共振傳感器

摘要 表面等離子體共振(SPR)傳感技術具有很高的折射率分辨率。但是其折射率分辨率對金屬膜厚度非常敏感,影響了SPR傳感器的適用性。使用一種叫做“偏振干涉”的技術,來減小光譜型SPR傳感器的折射率對金膜厚度的敏感性。實驗結果表面,偏振干涉能夠降低SPR光譜的最小值,提高使用非最佳金屬膜的 SPR 傳感器的折射率分辨率。金膜厚度在28.16~54.38nm 范圍內變化時,系統的折射率分辨率達到3.9×10-7 ~8.1×10-7RIU(折射率單位)。

關鍵詞 光譜學;表面等離子體共振;金屬膜厚;偏振干涉;光譜型

1 引 言

     表面等離子體共振技術(SPR)是一種高靈敏度的光學傳感技術,目前已經廣泛應用于生物、化學和環境等許多領域[1~3]。

     SPR 傳 感 器 按 照 原 理 可 以 分 為 強 度 型、相 位型、光譜型和角度譜型[2]。其中強度型SPR 傳感器的折射率分辨率較低[一般不優于10-6折射率單位(RIU)[3,4]];相位型SPR傳感器的折射率分辨率較高(最高達到10-8 RIU[5]),但是受金屬膜厚等因素影響嚴 重,且 動 態 范 圍 很 小。光 譜 型 和 角 度 譜 型SPR傳感器,統稱為譜型 SPR 傳感器,因為同時具有較高的折射率分辨率(10-7 RIU 量級[6,7])和遠大于相位型的動態范圍[7]而被廣泛采用。本小組已經提出了一種光譜型SPR傳感器,能夠高通量地檢測二維折射率分布信息[8,9]。

      譜型SPR傳感器,通過測量 SPR 光譜(或角度譜)曲線中SPR凹陷的最小值對應的波長(或角度)來測量折射率的變化。而譜型 SPR 傳感器中的主要噪聲是同光強的平方根成正比的[2]。因此,為了提高折射率分辨率,即更精確地測量SPR 譜線的最小值位置,需要SPR譜線中的凹陷具有更小的最小值和更窄的寬度。

      理論上,存在最佳厚度的金屬膜使 SPR 譜線的最小值為零。但是,由于鍍膜的誤差和不均勻性,實際上的SPR譜線最小值往往不為零。而且,在生物和化學傳感應用中,需要在金屬膜上添加一層能夠吸附被測物的功能膜。而這層功能膜的厚度和折射率往往并不能精確地確定,因此很難把金屬膜預設成最佳厚度。于是,大于零的SPR 譜線最小值帶來了更大的噪聲,增大了精確測量SPR 最小值位置的難度,降低了系統的折射率分辨率。此前已經有利用SPR發生時p光和s光相位差來降低 SPR 譜線最小值的方法[10],本小組也提出了一種利用這種方法的角度譜型 SPR 傳感器[7],并把這種方法叫做 “偏振干涉”。但是還沒有系統研究這種方法應用于光譜型SPR傳感器的報道。

      本文將把偏振干涉技術應用于本小組此前提出的光譜型SPR傳感器[8],實驗研究了不同金屬膜厚度下的SPR傳感器的性能,以及偏振干涉對降低光譜型SPR傳感器對金屬膜厚度敏感性的作用。

 2 實驗方案

 2.1 實驗裝置

       實驗方案是在本小組此前提出的并行掃描光譜SPR成像方法[8]的基礎上加入偏振干涉技術。裝置示意圖如圖1所示。白光光源 A(鹵鎢燈)發出的光經過物鏡 B聚焦在一個小孔 C上,形成一個白光點光源。白光點光源發出的光被一個凸透鏡 D 準直成平行光,經過偏振片 E 變為線偏振光,再經過柱透鏡 F(對稱軸豎直的柱面凸透鏡),使其在水平方向會聚。這樣光照到SPR激發裝置 G 時,近似形成 了 一 個 線 形 光 斑。SPR 激 發 裝 置 采 用Kretschmann全反射模型[2]:一塊棱鏡(G1)的斜面上鍍了幾十納米厚的金膜(G2),金膜外為被測平面,上可以布置被測物(G3)。入射的線形光斑(G4)會聚在金膜上。整個 SPR 激發裝置可以沿著如圖所示與其斜面平行,與線形光斑垂直的方向一維移動。SPR激發裝置發出的反射光首先經過柱透鏡H(同柱透鏡 F,為對稱軸豎直的柱面凸透鏡),再次變為平行光,然后再依次經過一個寬譜λ/4波片(I,快軸同水平方向夾角45°)和偏振片J。此后,光束再經過柱透鏡 K(對稱軸水平的柱面凸透鏡),然后進入一臺光柵光譜儀 M 的入射狹縫 L。進入狹縫的光束在光譜儀內部分光后,被置于光譜儀出口的面陣 CCD 相機 N 接收。面陣 CCD 把接收的光轉換為二維圖像,傳輸到計算機中。

     

      這套裝置中,除去光路中實現“偏振干涉”技術的λ/4波片I和偏振片J,CCD 拍攝的一幅圖像,在修正系統的光譜響應后,圖像的每一行都是SPR 激發裝置的金膜上被線形光斑照明的區域上一點的SPR光譜,不同行代表被照明的一維區域的不同點的SPR光譜。在本小組此前發表的工作中,這套裝置還可以 通 過 機 械 的 一 維 掃 描,得 到 二 維 區 域 的SPR光譜信息[8]。由于重點在金屬膜厚度和偏振干涉對SPR傳感器的影響,因此這套裝置沒有進行掃描,而是作為一維光譜型SPR傳感器來使用。

2.2 不同厚度的金膜

      為了研究金膜厚度對譜型SPR 傳感器的影響,自行鍍制了不同厚度的金膜。使用的鍍膜機是在沈陽世昂真空技術有限公司定制的磁控濺射真空鍍膜機。鍍制金膜的厚度根據鍍膜時間的來控制,分別鍍制了鍍膜時間為70、80、90、100、110、120、130s的金膜。這些金膜送往同濟大學物理系使用 X 射線衍射儀(XRD)測量,結果如圖2所示,其厚度分別為 28.16、33.22、36.71、42.87、47.36、50.10、54.38nm。

2.3 偏振干涉技術

         偏振干涉技術由入射光路中的偏振片 E 和出射 光 路 中 的λ/4波 片I和 偏 振 片J提 供 。偏 振 干 涉技術的具體理論分析過程可參考文獻[7],簡單來講,偏振干涉就是通過利用SPR 發生時p光和s光這兩個偏振分量的強度和相位的差別,以s光為基準,重新生成一個最小值為零的SPR 光譜或角度譜曲線,以提高折射率分辨率的方法。理論分析表明,偏振干涉對SPR 光譜曲線的作用又根據金屬膜厚度的不同而不同。圖3(a)~(c)分別為理論計算得出的在金屬膜厚度小于、等于和大于最佳厚度的情況下,偏振干涉技術對 SPR 光譜曲線的作用。由圖3首先可以看出,偏振干涉不僅能把 SPR 光譜曲線在原來最小值位置(該位置的波長稱為 SPR 波長)調為零,而且能夠在附近的任意位置調為零。由于原始SPR 波長曲線對稱性良好,因此在 SPR 波長左右位置使用偏振干涉技術后的 SPR 光譜曲線都略微展寬,不利于最小值位置的測量,因此可以推斷在SPR波長處使用偏振干涉(即圖3中的PI1)能夠獲得更高的折射率分辨率。其次,可以看出,對于不同厚度的金膜,偏振干涉的作用是不同的。對于厚度小于最佳的金膜,偏振干涉能夠降低最小值,并且幾乎不改變譜線中凹陷的寬高比。但是對于已經是最佳厚度的金膜和厚膜,偏振干涉在降低最小值的同 時,光 強 變 弱,在 相 同 的 曝 光 時 間 下 會 降 低SPR 凹陷的寬高比。對此,采用調整 CCD 的曝光時間,使各個 SPR 光譜曲線充分利用 CCD 的動態范圍。這樣能夠改善偏振干涉對凹陷寬高比的影響,但是可以預測,偏振干涉對折射率分辨率的改善,薄膜要比厚膜更明顯。

3 結果與討論

       首先,使用2.1中介紹的裝置,以空氣為被測物,對不同厚度金膜的 SPR 光譜曲線進行了測量。結果 如 圖 4 所 示,存 在 最 佳 金 膜 厚 度 (圖 中 的42.87nm)使SPR光譜曲線的最小值最小(由于鍍膜均勻性等原因不為零);金膜越薄時,SPR 曲線最小值越大,而且譜線更寬;金膜越厚時,最小值越大,但是譜線更窄。由此,可以預測SPR 傳感器的折射率分辨率在最佳膜厚(42.87nm)時最好,金膜厚度越偏離這一厚度則越差,且薄膜要比厚膜差。

 


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