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专利号: 2018111748160
申请人: 中国地质大学(武汉)
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种测量Fano共振传感器检测极限的装置,其特征在于:所述测量Fano共振传感器检测极限的装置沿光传播方向上依次包括:激光器、准直物镜、偏振器、传感器、检偏器、聚焦物镜和光谱仪,所述传感器从下到上依次包括耦合棱镜、Au膜、Cytop膜、TiO2膜和传感介质;

所述激光器输出激光经所述准直物镜后输出平行光,所述平行光通过所述偏振器后得到椭圆偏振光,所述椭圆偏振光照射到所述传感器的所述耦合棱镜上,透过耦合棱镜入射面进入所述Au膜反射面并被反射,经耦合棱镜出射面后出射,由所述椭圆偏振光的p偏振与s偏振分量在所述传感器里产生相位差,同时在所述耦合棱镜和Au膜上激发表面等离子体共振模式,在所述Cytop膜、TiO2膜和传感介质激发平面波导模式,表面等离子体共振模式和平面波导模式耦合产生Fano共振光谱,包含所述Fano共振光谱的椭圆偏振光通过所述检偏器后经所述聚焦物镜聚焦,由所述光谱仪接收以进行分析处理。

2.根据权利要求1所述的测量Fano共振传感器检测极限的装置,其特征在于:所述耦合棱镜为SF10棱镜,所述激光器采用波长为632.8nm的He-Ne激光器。

3.根据权利要求1所述的测量Fano共振传感器检测极限的装置,其特征在于:所述Cytop膜的厚度为400-900nm,所述TiO2膜的厚度为60-130nm。

4.根据权利要求1所述的测量Fano共振传感器检测极限的装置,其特征在于:所述Au膜的厚度为50nm。

5.一种测量Fano共振传感器检测极限的方法,利用权利要求1所述的Fano共振传感器检测极限的装置进行测量,其特征在于:包括如下步骤:步骤1:设定所述耦合棱镜入射面的入射角范围为0-90°,所述激光器的输出光在所述入射角范围内以某一角度入射,以所述激光器输出光的p偏振分量为轴将所述偏振器旋转B度,所述光谱仪接收输出光信号;

步骤2:基于步骤1中所述光谱仪接收的输出光信号,得到所述检偏器输出光信号强度;

步骤3:基于步骤1中以所述偏振器的偏振方向为轴,将所述检偏器分别旋转a、b或c度,在所述入射角范围内旋转所述激光器改变所述耦合棱镜入射面的入射光的入射角,基于步骤2得到分别对应的所述检偏器输出光信号强度Ia、IB或Ic;

步骤4:基于步骤3中的三个方向的输出光信号强度Ia,Ib和Ic,计算得到第一偏振函数cosΔ和第二偏振函数tanψ;

步骤5:基于步骤4中所述第一偏振函数cosΔ和第二偏振函数tanψ,计算得到Fano共振传感器检测极限<Δn>min。

6.根据权利要求5所述的测量Fano共振传感器检测极限的方法,其特征在于:所述步骤

2具体包括:

基于步骤1所述光谱仪接收的输出光信号,通过琼斯微积分来表示完全偏振光的偏振状态,获得所述检偏器输出光信号强度I为:其中,I0为所述激光器的输出光强度,A是所述检偏器与所述偏振器的偏振方向相关的旋转角,Δ为p与s偏振分量的相位差,ψ为所述传感器的出射光与偏振椭圆长轴的夹角。

7.根据权利要求6所述的测量Fano共振传感器检测极限的方法,其特征在于:所述步骤

3具体包括:

所述检偏器的旋转角A分别为a、b、c时的输出光信号强度为Ia,Ib和Ic,通过公式(2)、(3)和(4)分别表示:其中,cosΔ为第一偏振函数,tanψ为第二偏振函数。

8.根据权利要求7所述的测量Fano共振传感器检测极限的方法,其特征在于:所述步骤

4具体包括以下步骤:

步骤401:基于步骤3得到的三个方向的输出光信号强度Ia,Ib和Ic,计算所述第二偏振函数tanψ:步骤402:基于步骤3得到的三个方向的输出光信号强度Ia,Ib,Ic和第二偏振函数,计算所述第一偏振函数cosΔ:

9.根据权利要求8所述一种测量Fano共振传感器检测极限的方法,其特征在于:所述步骤5具体包括以下步骤:步骤501:基于步骤4得到所述第一偏振函数cosΔ,计算所述第一偏振函数cosΔ的噪声<ΔcosΔ>min:考虑到探测强度波动和检偏器旋转精度的影响,所述第一偏振函数cosΔ的噪声<ΔcosΔ>min通过公式(7)计算:其中,ΔI为检测光信号强度的波动,ΔA为所述检偏器旋转相位的精确度,<ΔcosΔ>min为所述第一偏振函数cosΔ的噪声,<ΔA|A=-a>min,,<ΔA|A=b>min,和<ΔA|A=c>min为三个旋转方向上所述检偏器旋转精度的噪声值,<ΔIa>min,<ΔIb>min,和<ΔIc>min为所述偏振器和检偏器之间三个方向的平均噪声值,步骤502:基于步骤4得到所述第二偏振函数tanψ,计算所述第二偏振函数tanψ的噪声<Δtanψ>min:其中,

步骤503:基于步骤501和502的计算结果,计算所述第一偏振函数cosΔ和第二偏振函数tanψ的检测极限<Δn>min:其中,FOM为测量光谱中所述偏振函数的品质因数,Ymax和Ymin是测量光谱中所述偏振函数的最大和最小值,<ΔY>min是所述偏振函数的噪声值;

所述品质因数FOM通过公式(10)描述:

其中,SL为所述偏振函数极值点附近的斜率,Sθ是所述偏振函数极值点的角灵敏度。

10.根据权利要求9所述一种测量Fano共振传感器检测极限的方法,其特征在于:所述和 在a=-45°、b=

0°、c=45°时分别由公式(11),(12),(13),(14),(15)和(16)表示:所述 和 在a=-45°、

b=0°、c=45°时分别由公式(17),(18),(19),(20),(21)和(22)表示: