一种光学相位器件及其应用方法囷系统
本发明涉及传感技术及色散补偿技术领域尤其涉及一种光学相位器件及其应用方法 和系统。
当光束在界面发生反射时 当界面的反射率函数（包括强度和相位）不为常数时， 将 可能发生一系列非镜面反射现象例如：光束中心在反射界面的入射点和出射点之间可以 存在一定的侧向位移灵敏度。 这一现象首先由 Goos和 Hanchen通过实验证实 因而被称为古斯 汉欣现象（Goos Hanchen effect ) 。 其他同时可能发生的非镜面反射效应包括纵姠位移灵敏度 (Imbert Fedorov
shif t)、 角度旋转以及光束形状变化等 作为非镜面反射的典型效应， 古斯汉欣现象自被发现以来一度成为研究热点在几十年间嘚到了深入研究。研究发现古 斯汉欣现象的产生是由反射率函数中的角度相关的相位项的跳变引起的对于接近准直的 光束而言，古斯汉欣位移灵敏度的大小由反射时光束经历的角度相关的相位跳变对于入射光波数 的一阶导数决定 通常情况下， 这种相位跳变不大
因此古斯汉欣位移灵敏度的大小一般仅在波 长量级， 往往可被忽略 几十年来的研究发现可以通过材料的选择， 如包括金属在内的吸 收材料 左掱人工材料等增强古斯汉欣现象。 以往研究也发现 在两个材料界面上发生全 反射时， 在全反射角附近 即反射强度发生显著变化时， 由於反射率函数的相位项会发生 明显改变 从而可以产生古斯汉欣现象。 此外 一些能产生倏逝波的结构中的古斯汉欣现
象也被广泛研究， 洳表面等离子共振结构、 金属包覆的光波导结构、 双棱镜结构等
近年来，对包含金属结构中的古斯汉欣位移灵敏度的理论和实验研究取嘚了长足进步并已 经开始在传感领域得到了应用。 Yin等人在对表面等离子体共振传感器的研究中指出 由 于表面等离子体共振发生时，反射光不仅在强度上急剧减弱而且在相位上发生相位跳变， 因而能产生增强的古斯汉欣位移灵敏度 Y i n等人提出利用利用古斯汉欣效应提高表面等离子体 共振传感器的检测灵敏度（Appl ied Phys ics
Let ters, 89 (2006) pp. 261108 ) 。 这种方 法将待测液体的浓度变化转化为折射率变化进而表面等离子共振的条件发生变化，使嘚 反射光相位发生变化并转化为 SPR结构中的增强的古斯汉欣位移灵敏度变化，检测时通过检测 由浓度变化引起的古斯汉欣位移灵敏度的变囮大小来确定待测样品折射率的变化陈麟等人采用
虽然现有技术可以通过结构的设计大大增强古斯汉欣效应，将其从波长量级增大到微 米乃至亚毫米量级使其具有实际应用价值，但是相位跳变的增强往往对应反射谱上增强 的吸收峰 现有结构均无法避免这点。 这使得在古斯汉欣位移灵敏度的检测中 待测的反射光束 往往强度非常微弱， 信噪比极低 这在增强了检测难度的同时降低了测量的可靠性。
宽谱咣脉沖在光纤中传输时光纤的群速度色散会导致脉沖展宽， 因此需要使用色散 补偿器件对其进行色散补偿 此外， 当对短光脉冲进行脉沖放大等处理时 会使用色散控 制器件将脉冲进行啁啾展宽。 因此 色散控制器件对于短脉沖的传输、 控制、 应用等都具 有重要的意义。 目前常用的色散控制器件主要包括色散补偿光纤 （DCF ) 、 光纤布拉格光栅（FBG ) 、 光栅对、
盖尔斯-特纳尔斯干涉仪等 DCF在 1550nm具有正常色散， 可以补偿單模光纤所 导致的脉冲展宽 但是其色散量太小， 1km的 DCF仅能对 8kra-10km普通单模光纤所导致 的色散进行补偿 此外， DCF在 1550nm的传输损耗较高 其较小的模場直径带来的高非 线性特性也不适用于具有高峰值功率的超短脉冲。 FBG 在禁带边沿具有较大的群速度色 散
可以对脉冲的色散进行控制， 但其的带宽往往较窄 如用于带宽色散控制， 需制作非 常长的光栅 而且 FBG对于温度敏感， 无法实用化 平行放置的光栅对可以作为色散延迟 線， 对通过的脉冲产生反常的群速度色散 但其存在较大的衍射损耗。 盖尔斯 -特纳尔斯 干涉仪可以反射全部的光脉冲能量 对脉沖进行色散控制， 但其带宽很窄 需通过多级级 联结构实现宽带色散控制。
针对现有技术中存在的上述问题,本发明提供了一种光学相位器件及其应鼡方法和系 统
本发明提供了一种光学相位器件， 包括透明电介质基底、多层介质材料层和介质緩沖 层 该介盾緩冲层与外部介质相邻； 透明电介质基底、 多层介质材料层和介质緩冲层的折 射率均大于与该介质緩沖层相邻的外部介质的折射率；对于入射光束的工作波长，该咣学 相位器件在角度区间 [α， β]内具有相位变化 该光学相位器件在与介质緩冲层相邻的外部 介盾和介质緩冲层的交界面处发生全反射的铨反射临界角为
γ, γ<β。该光学相位器件的材 料均由介质材料构成， 不含金属材料。
在一个示例中 多层介质材料层由两种以上具有不同折射率的介质材料层交替形成。 在一个示例中 对于入射光束的工作波长， 多层介质材料层在角度区间 [α', β']内具 有相位变化 且 α， <α , γ<β，。
在一个示例中， 光学相位器件的工作角度范围为 [Θ1Θ2] , max (α, γ) < Θ1 < Θ2 < β , 即光学相位器件工作在大于全反射角的区域内。
nbuffer - ns sin Θ 其中 λ为入射光束的工作波长； ns, nbuffer, nm 分别是透明电介质基底、 介质緩冲层和 介质緩冲层相邻的外界介质的折射率； P 代表入射光束的偏振态； 对于 TM偏振： p=l ; 对于 TE偏振： ρ=0;
在一个示例中 当该光学相位器件工作时， 其反射率曲线在 0.1度角度范围下降不超 过百分之四十
本发明提供了一种光学相位器件嘚传感应用系统，包括按照光路上的顺序设置的激光 光源、 偏振控制器件、 光束控制器件、 光束耦合器件、 光学相位器件和光检测器件； 被测 样品与光学相位器件相邻 被测样品与光学相位器件形成交界面；
其中， 激光光源发出的单色光束的入射角度在工作角度范围 [Θ1 , Θ2] ; 光學相位器件 包括透明电介质基底、 多层介质材料层和介质緩冲层 该介质緩沖层与外部介质相邻， 透 明电介质基底、多层介质材料层和介質緩冲层的折射率均大于与介质緩冲层相邻的外部介 质的折射率； 该光学相位器件具有相位变化的角度区间 [α, β] , 该光学相位器件在与被测
夲发明提供了一种光学相位器件的传感应用系统包括按照光路上的顺序设置的激光 光源、 偏振控制器件、 光束控制器件、 光束鵪合器件、 光学相位器件和光检测器件； 被测 样品薄膜与光学相位器件相邻，被测样品薄膜与光学相位器件形成第一交界面外部介质 与第一交界媔相对的被测样品薄膜的一侧相邻， 被测样品薄膜与外部介质形成第二交界 面；
其中外部介盾的折射率低于被测样品薄膜及光学相位器件中所用材料的折射率； 第 一交界面与第二交界面平行； 激光光源发出的单色光束的入射角度在工作角度范围 [Θ1，Θ2] ; 附着有被测样品薄膜嘚光学相位器件具有相位变化的角度区间 [α, β] , 该光学相 位器件在被测样品薄膜与外部介盾的第二交界面处发生全反射时的全反射临界角为 γ, γ<β; max (α, γ) < Θ1
本发明提供了一种光学相位器件的传感应用方法 包括：
步骤 1 , 将单色光束的偏振态固定； 被测样品与光学相位器件相邻， 并與所述光学相 位器件形成交界面； 单色光束的入射角度在工作角度范围 [Θ1Θ2] ; 光学相位器件具有相 位变化的角度区间 [α, β]， 该光学相位器件在与被测样品的交界面处发生全反射时的全反 射临界角为 γ, γ<β; max (α, γ) < Θ1 < Θ2 < β;
步骤 2 , 单色光束入射到光学相位器件 在光学相位器件与被测樣品的交界面处形成 全反射；
步骤 3 , 对出射光束的非镜面反射参数进行检测；
步骤 4 , 根据检测所得非镜面反射参数值得到被测样品的折射率。
夲发明提供了一种光学相位器件的传感应用方法 包括：
步骤 10， 将单色光束的偏振态固定； 被测样品薄膜与光学相位器件相邻 被测样品 薄膜与光学相位器件形成第一交界面，外部介质与第一交界面相对的被测样品薄膜的一侧 相邻 被测样品薄膜与外部介质形成第二交界面， 且第一交界面与第二交界面平行 外部 介质折射率低于被测样品薄膜和光学相位器件中所有介质层材料的折射率；单色光束的入 射角度茬工作角度范围 [Θ1，Θ2] ;
附着有被测样品薄膜的光学相位器件具有相位变化的角 度区间 [α, β] , 该光学相位器件在被测样品薄膜与外部介盾的第②交界面处发生全反射的 全反射临界角为 γ, γ<β; max (a, y) < Θ1 < Θ2 < β;
步骤 20 , 单色光束入射到光学相位器件 在被测样品薄膜与外部介质的第二交界面 处形荿全反射；
步骤 30， 对出射光束的非镜面反射参数进行检测；
步骤 40 根据检测所得非镜面反射参数值得到被测样品薄膜的折射率或厚度。 在┅个示例中 步骤 30中所述非镜面反射参数为出射光束的空间侧向位移灵敏度、 纵向位 移、 角度偏移或光束形状变化。
在一个示例中 所述叺射单色光束为中心入射角为 Θ的准平行光束， 其发散角范围 [Θ-ΔΘ, Θ+ΔΘ]内， 其中， max (α, γ) < Θ-ΔΘ < Θ+ΔΘ < β?
本发明提供了一种光学相位器件的传感应用方法 包括：
步骤 100, 固定偏振态的入射光束在波长区间 [λ?η<;1, λ?ικ2]内具有频谱分布； 被测样品 与所述光学相位器件相邻，並与光学相位器件形成交界面； 该光学相位器件具有相位变化 的角度区间 [α, β]; 将入射光束的入射角固定为 Θ, max (α, γ) <θ<β , γ为该光学相位器件在
与被测样品的交界面处发生全反射时的全反射临界角；
步骤 200, 入射光束进入光学相位器件 在光学相位器件与被测样品的交界面处形成 全反射；
步骤 300 , 对出射光束的频谱或时域参数进行检测；
步骤 400, 根据所得的频傳或时域参数得到被测样品的折射率。
本发明提供了一种光学相位器件的传感应用方法 包括：
步骤 1000， 固定偏振态的入射光束在波长区间 [ ncl inc2]内具有频谱分布； 被测样品 薄膜与所述光学相位器件相邻，被测樣品薄膜与光学相位器件形成第一交界面外部介质 与第一交界面相对的被测样品薄膜的一侧相邻， 被测样品薄膜与外部介质形成第二交堺 面且第一交界面与第二交界面平行； 附着有被测样品薄膜的该光学相位器件具有相位变
化的角度区间 [α，β]; 将入射光束的入射角固定為 Θ, max (a, y) <0<p, γ为该光学相位器件 在被测样品薄膜与外部介质的第二交界面处发生全反射的全反射临界角；
步骤 2000, 入射光束进入光学相位器件， 在被測样品薄膜与外部介质的第二交界面 处形成全反射；
步骤 3000, 对出射光束的频谱或时域参数进行检测；
步骤 4000, 根据所得的频旙或时域参数得到被測样品薄膜的折射率或厚度
本发明提供了一种光学相位器件的色散控制应用方法，将包含一定频率分布的入射光 束通过光学耦合器件一佽或多次入射到所述光学相位器件表面入射到光学相位器件表面 的角度范围为 [Θ1，Θ2] ; 该光学相位器件具有相位变化的角度区间 [α, β] , max (α, γ) < Θ1 < Θ2 < β， γ为该光学相位器件在与外界介质的交界面处发生全反射时的全反射 临界角
本发明提供了一种光学相位器件的色散控制应用系統，包括光学耦合器件和光学相位 器件；
包含一定频率分布的入射光束垂直入射到光学耦合器件的入射表面；所述光学相位器 件与光学耦匼器件的除入射表面之外的一表面相邻该表面与光学耦合器件的入射表面不 平行， 光束经过光学耦合器件和反射镜一次或多次入射到光學相位器件表面并被其反射； 入射到光学相位器件的角度范围为 [Θ1Θ2] ; 该光学相位器件具有相位变化的角度区间 [ , β] , max (α, γ) < Θ1
本发明的光学器件结构可同时具有低损耗和大相位变化， 从而具有大古斯汉欣位移灵敏度 (百微米量级到毫米量级） 以往的报道中大的古斯汉欣位移灵敏喥（大的相位跳变处）通常伴 随着反射谱的急剧衰减峰， 往往相位跳变越大 损耗越大， 造成古斯汉欣位移灵敏度难以测量、 测量的信噪仳较低等问题通过合适的设计，本发明提出的光学器件结构可产生超过现有 报道最高的古斯汉欣位移灵敏度大小
达到毫米乃至十毫米量级。作为色散补偿元件 可产生较 大的色散量， 且光学损耗较低 这都是光学色散控制元件所需要的。 另外可通过调整工作 角度或调谐結构参数 获得不同的色散补偿量。
与以往采用高反射率层来实现低损耗的器件相比本发明提出的结构不仅非常简单而 且在非常大的波長范围和角度范围 （从全反射角到 90° ) 内都能够实现极高的反射率， 这 又是其他介质和金属高反射镜所无法实现的
基于本发明提出的光学器件结构的古斯汉欣传感检测系统和传感检测方法同时具有 低损耗和实际可测的较大古斯汉欣位移灵敏度，使得实际测量时的信号强度大夶增强 降低了检 测的难度和信号的信噪比。可以在简单的实验装置下进行高灵敏度检测 比起现有报道可 高几个数量级。按本发明的方法实现的传感系统在实际检测中光路中的光源、检测结构、 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
下面结合附图来对本发明作进一步详细说明， 其中：
图 1是光学相位器件结构的示意图；
图 2是实例 1 所述光学相位器件结构的反射率及多层介质材料层嘚反射率的角度曲 线；
图 3 (a)是实例 1所述光学相位器件结构的角度相位曲线图； 图 3 (b)是该光学相位器 件结构的外界介质为空气时其多层介质材料层高反射率区间的上升沿附近古斯汉欣位移灵敏度 的角度变化曲线；
图 4 (a)是实例 1所述光学相位器件结构在入射角为 51度时，其波长相位曲线；图 4 (b) 是其群速度色散的波长响应曲线；
图 5是实例 2所述光学相位器件结构应用古斯汉欣传感系统中其反射率及其多层介 质材料层高反射率區间的上升沿附近的古斯汉欣位移灵敏度曲线；
图 6 (a)是实例 2所述光学相位器件结构应用古斯汉欣传感系统中， 在全反射临界角 为 52. 87时 其上升沿位置附近的古斯汉欣位移灵敏度变化曲线； 图 6 (b)是当工作角度设置为 54. 32度时， 固定在该工作角度下的古斯汉欣位移灵敏度随着外界介质折射率变化曲线；
图 7 (a)是实例 2中包含所述光学相位器件结构的古斯汉欣传感检测系统图； 图 7 (b) 是该古斯汉欣传感检测系统在工作角度设置为 53. 07度时頻域相位变化随着外界介质折 射率变化关系曲线；
图 8 (a)是实例 3中的色散补偿器件在入射角为 60度时， 多层介盾材料层的相位改变
Δφ随入射光波长的变化曲线； 图 8 (b)是其群速度色散与波长之间的关系曲线；
图 9 (a)是实例 3中的基于三角形耦合棱镜的色散控制器件结构的示意图； 图 9 (b)是 基于岼行四边形耦合棱镜的色散控制器件结构示意图； 图 9 (c)是基于光纤等波导结构的 色散控制器件结构示意图；
图 10 (a)是实例 3中的基于三角形耦合棱鏡的色散控制器件结构的入射光脉沖和出射 光脉冲的时域强度曲线； 图 10 (b)是基于平行四边形耦合棱镜的色散控制器件结构的入射 光脉冲和出射光脉冲的时域强度曲线； 图 11 (a)是实例 4中当入射光为 TE偏振时 所述光学相位器件对于空气和水的反射 率曲线； 图 11 (b)是对于空气， 在不同入射角喥下
古斯汉欣位移灵敏度及相应损耗的变化； 图 12 (a) 是实例 4中当入射光为 TM偏振时，光学相位器件对于空气和水的反射率曲 线； 图 12 (b)是对于水 茬不同入射角度下， 古斯汉欣位移灵敏度的变化；
图 13 (a) 是实例 4中当入射光为 TM偏振时 光学相位器件对于不同浓度的 NaC l溶 液的古斯汉欣位移灵敏喥的角度变化曲线； 图 13 (b)是固定在 53. 47度时， 该器件的古斯汉欣 位移灵敏度对于不同浓度的 NaC l溶液变化曲线；
图 14是实例 5中的光学相位器件结构的示意图；
图 15 (a)是实例 5的光学相位器件在入射光波长为 980nm, 外界介盾为空气时 其入 射角度与相位变化的关系曲线； 图 15 (b)是入射角度为 52度， 入射光在 950- 101 Onm波長 范围内 该光学相位器件的波长与相位关系曲线；
图 16是实例 5的光学相位器件的群速度色散曲线；
图 17是实例 6的光学相位器件的入射角度与楿位变化曲线；
图 18 (a)是实例 6所述光学相位器件用于古斯汉欣传感系统中，随着外界介质的折射 率变化 工作角附近古斯汉欣位移灵敏度变化曲线； 图 18 (b)是当其固定在 54. 895度时， 古斯 汉欣位移灵敏度随着外界介质折射率变化关系曲线；
图 19是实例 6所述器件用于频域相位传感检测中 在工莋角度为 54. 92度、 入射宽 语光的波长范围为 975- 985nm时， 频域相位变化随着外界介质折射率变化关系曲线； 图 20 (a)是实例 7中当入射光波长设为 980nm, 全反射临界角為 52. 88度时 当外界 介质为包含一定浓度蛋白质分子的样品溶液时，光学相位器件的相位跳变随着蛋白质吸附
薄层的厚度变化而移动的曲线； 圖 20 (b)是在蛋白质分子的吸附过程中 随着吸附薄层 的厚度增大， 古斯汉欣位移灵敏度的变化曲线；
图 21是实例 7中将工作角度固定在 65. 85度时 古斯漢欣位移灵敏度随着吸附层厚度变化 关系曲线；
图 22是实例 7中将所述器件用于频域相位传感检测，将工作角度设为 66度入射宽 谱光的波长范圍为 970- 990nm时， 频域相位变化随着外界介盾折射率变化关系曲线 具体实施方式
本发明提供的光学相位器件的结构中，多层介质材料层是具有一萣反射率并同时具有 较大反射相位变化的结构 如将其近似等效为一个反射面， 其反射系数为 r/ 大角度入射 的入射光将在该反射面与发生铨反射的界面之间产生多次反射与折射，则该光学相位器件 的反射率 Γ可近似描述为：
其中 为发生全反射的界面的反射系数； 为经过多层介质材料层与全反射界面之间 的区域所引入的相位差 由于 I r2|为 1 (全反射效应），因此 |Γ|也为 1 (如器件中其他介质 无吸收损耗以及散射损耗等） 其中 r/在工作范围附近具有较大的与角度 /波长相关的相 位变化， 而且地同时受角度与入射光波长影响： = - ? cos^^ , 其中 I为波长
"为介质緩冲层折射率， 为介质緩冲层厚度 为入射到介质緩沖层的入射角度。 因此整体器件响应将同时随角度和波长影响 当入射光波长固定时，则角度变囮产生的相 位变化可以应用与古斯汉欣效应传感； 当入射角度固定时则对入射的不同波长的光的不 同相位响应可以实现色散控制。 实例 1
圖 1给出了本发明提供的一种光学相位器件的结构示意图
在本实例中， 输入光的偏振态选为 ΤΜ偏振， 波长 λ选定为 980nm 透明电介盾基底 101的材料为 ZF10玻璃，其折射率为 1. 668; 多层介质材料层 102中各层材料均设为理想 透明介质 即无吸收损耗且各层间无界面的散射损耗，其中高折射率介质薄层 106的材料 为二氧化钛折射率为 2. 3 ,低折射率介质薄层 107的材料为二氧化硅，折射率为 1. 434 ；
介质緩冲层 103的材料为二氧化钛 折射率为 2. 3; 外界介质 104为涳气。 该实例中反射 面 105处产生全反射的全反射临界角为 36. 83度该角度为入射到透明电介质基底底面的 入射角，本说明书中以下所有实例中的角度均为透明电介质基底底面的入射角介质緩冲 层的厚度 ? 大于或等于 0, 并且
其中 λ为入射光束的工作波长； ns, nbuffer, nm 分别是透明电介质基底、 介盾緩冲层和 介质緩冲层相邻的外界介盾的折射率； p 代表入射光束的偏振态； 对于 TM偏振： p=l; 对 于 TE偏振： ρ=0; Θ为入射光束的工作角度， π?Εχ(α, γ)<θ<β。
在本实例中， 高折射率介盾薄层 106和低折射率介质薄层 107交替作为一个周期重 复一定周期，通过设计各层厚度对多层介质材料层 102的高反射率区间进行设计本实例 中每个周期内高折射率介质薄层 106的厚度为 156. 5nm,低折射率介质薄层 107的厚度为 382nm, 多层介质材料层 102由 10个周期组成。 本实唎中介质緩冲层 103的厚度为 20nm
由理想透明介盾层组成的光学相位器件结构的理论反射率曲线，可由菲涅尔方程计算 得到如图 2中实线所示。將介质緩冲层 103和外界介质 104的折射率均设为透明电介质 基底 101的折射率此时无全反射发生下的多层介质材料层 102的角度反射率， 亦可由菲 涅尔方程计算得到 如图 2中虚线所示， 其高反射率区间在 50-62度 在本实例中， 多层 介质材料层
102的高反射率区间的上升沿和下降沿具有较大相位跳變产生较大相位跳变 的位置大于该光学相位器件的全反射角。
以上升沿附近为例在该波长下， 多层介质材料层在 49-51度的入射角范围内具囿较 大相位跳变相位跳变最大处为 50. 25度； 而该光学相位器件在 50-52度的入射角度范围 内具有较大相位跳变， 相位跳变最大处为 50. 95度 如图 3 (a)的角度楿位曲线图所示， 因而具有较大（可达到百微米量级） 的古斯汉欣位移灵敏度 如图 3 (b)所示； 若固定入射角在
51度，则该光学相位器件在 95 Onm-100 Onm的入射波长范围内具有较大相位变化如图 4 (a) 的波长相位曲线图所示， 其群速度色散的波长响应曲线如图 4 (b)所示 实例 2
在本实例中， 输入光的偏振態选为 TM偏振 波长 λ选为 980nm， 在如图 1所示的器件 结构中 透明电介质基底 101的材料为 ZF10玻璃， 其折射率为 1. 668; 多层介质材料层 由高折射率介质薄层 106和低折射率介质薄层 107交替作为一个周期、 重复 10个周期 其中高折射率介质薄层 106的材料为二氧化钛， 折射率为 2. 3, 厚度为 196. 7nm
低折射 率介质薄层 107的材料为二氧化硅， 折射率为 1. 434 , 厚度为 365. 3nm; 介质緩冲层 103 的材料为二氧化钛 折射率为 2. 3, 厚度为 20nm。
将上述光学相位器件结构用于古斯汉欣传感检测 待测樣品为不同浓度的氯化钠 (NaCl)水溶液， 其初始折射率设为 1. 33此时全反射临界角为 52. 87度， 该器件的反射率 及上升沿附近的古斯汉欣位移灵敏度如图 5 所示 随着外界介质的折射率变化（折射率间隔为 0. 00001 ) ,该上升沿位置附近的古斯汉欣位移灵敏度变化如图 6 (a)所示。在本传感检测实例中 工作角喥设置为 54.
32度，固定在该角度下的古斯汉欣位移灵敏度随外界介质折射率变化关系如 图 6 (b)所示
图 7 (a)给出一种古斯汉欣传感检测系统及工作原理圖。 该系统包括光路上顺序设置 的激光光源 701、 偏振控制器件 702、 光束控制器件 703 由激光源 701输出的光经由偏 振控制器件 702和光束控制器件 703，获得 TM偏振的准平行单色光束 704 ,准平行单色光 束 704经过光学耦合元件 705入射到所发明的光学相位器件结构 706中并在 706与待测 外界介质
08的界面 707反射， 此反射為全反射 反射光束 712被检测器 713接收， 并记 录光束位置与不具备发生古斯汉欣位移灵敏度条件下的参考反射光束 711的位置相比较，获得 该实驗条件下的古斯汉欣位移灵敏度大小 714其中待测外界介质 708通过样品池和微流通道系 统 709进样。
本实例中所述光学耦合元件 705、光学相位器件结構 706以及样品池和微流通道系统 709固定在转台 710上本实例中通过旋转 710改变 704的入射角度，当转至工作角度 715 时 整个装置固定在此角度进行检测。
夲实例中所述激光光源 701采用单色性较好的 980nm波长的激光器
本实例中所述偏振控制器件 702采用格兰棱镜或偏振片 , 可分别使 TM、 TE偏振光通 过。
本实唎中所述光束控制器件 703由透镜组组成 完成扩束、 准直等功能， 使出射光束 704为准平行光束 其发散角最好控制在 0. 01° 以内。
本实例中的工作角度需保证在界面 707上形成全反射故工作角度需大于由待测外界 介盾 708决定的全反射临界角，另外工作角度优选保持在全反射角后古斯汉欣位移灵敏度较大的 位置根据所述光学相位器件结构 706的各层参数计算出的古斯汉欣位移灵敏度角度分布曲线图 5 , 将本实例的工作角度定在 54. 32度。 实际实验中亦可通过旋转 710 在不同角度进行 检测，
通过实验获得的古斯汉欣位移灵敏度角度分布曲线 从而确定工作角度。
本实例中的參考反射光束 711 可通过改变偏振控制器件 702的偏振选择， 将该角度 下不产生古斯汉欣位移灵敏度或该位移灵敏度大小可忽略不计的 TE偏振光依佽通过本实例所述系统 作为参考， 也可以改变待测外界介质 708 选择通入在该工作角度下造成的古斯汉欣位移灵敏度 大小为零或可忽略不計的介质， 将其反射光束作为参考 本实例中的检测器 713为可记录反射光束 714的位置信息的检测器，
本实例中采用 CCD或者位置敏感探测器 PSD
本实唎中样品池和微流通道系统 709中的传感检测样品 708为不同浓度的 NaCl溶液， 各相邻样品的折射率变化差为 1 X 10—5RIU
本实例选择的工作角度下，对于初始折射率为 1. 33的待测样品其传感灵敏度为 1. 4
X Ι 该灵敏度可通过所述光学相位器件结构的进一步优化设计进一步提高。 上述古斯汉欣传感检测系統的检测方法如下：
首先 通过选择转台 710将光束的入射角度固定在设计好的、 对于 ΤΜ偏振的单色准 平行光束对于待测外界介质 708能产生较夶古斯汉欣位移灵敏度、且大于全反射临界角的工作角 度下；
然后将所述光源 701输出的单色光依次通过 ΤΕ选通的偏振控制器件、 所述光束控制 器件， 获得 ΤΕ偏振态的准平行单色参考光束；
将 ΤΕ偏振态的准平行单色参考光束通过所述光学耦合元件（本实例中为高折射率棱 镜）入射到所述光学相位器件结构 在反射面 707形成全反射；
采用所述检测器检测参考反射光束 711 , 并记录其位置；
将所述偏振控制器件的选通偏振态改为 ΤΜ偏振， 使得所述光源 701的输出依次通过 偏振控制器件和光束控制器件后获得 ΤΜ偏振的准平行单色光束；
将 ΤΜ偏振态的准平行单色光束通过所述光学耦合元件入射到所述光学相位器件结构 与待测外界介质的交界面， 在反射面 707形成全反射；
采用所述检测器检测反射咣束 712 记录其位置， 并减去参考反射光束 711的位置 获得对待测外界介质折射率变化敏感的古斯汉欣位移灵敏度；
通过获得的古斯汉欣位移靈敏度大小，根据该工作角度下的古斯汉欣位移灵敏度随着外界介质折射 率变化关系 （如本例中图 6 (b)所示） 获得待测外界介质的折射率变囮。
将上述光学相位器件结构用于频域相位传感检测 待测样品为不同浓度的 NaC 1水溶 液， 其初始折射率设为 1. 33, 工作角度设置为 53. 07度 固定在该工莋角度下的频域相 位变化随外界介质折射率变化关系如图 7 (b)所示， 其中待测样品折射率间隔为 5 χ 10— 5RIU 上述光学相位器件可用于频域相位传感檢测， 该检测系统和方法与申请号为
的中国专利申请 "一种表面等离子共振的相位测量方法及其测量系统" 中 所述的技术方案类似
一种基于仩述光学相位器件的频域相位传感检测方法如下：
首先，将包括白光源和锁模激光器等在内的相干或不相干的宽谱光源输出的宽谱光依 次通过调到与 TE偏振方向呈 45度线偏振态的第一偏振控制器件 包括钒酸 4乙晶体、方解 石等双折射晶体在内的延时器件， 选通方向与第一偏振控淛器件偏振方向相同 （即与 TE 偏振方向呈 45度方向）或垂直的第二偏振控制器件注有待测样品的上述光学相位器件， 以光借仪或单色仪等光語分析设备检测接收
得到频域强度信号 i≠ase( i); 通过测量频域 强度，可以通过分析频域的干涉条纹的变化规律获得相应频域的相位响应根据囿关频域 相位曲线的移动可以准确地获得被测样品的折射率变化信息。 实例 3
本实例所使用的光学相位器件结构如图 1 所示 透明电介质基底 101 嘚材料为 ZF1 玻璃； 多层介质材料层 102由 14个周期组成， 其中高折射率介质薄层 106的材料为五氧 化二钽 厚度为 264nm, 低折射率介盾薄层 107的材料为二氧化硅， 厚度为 184nm 介质 緩沖层 103 的材料为五氧化二钽， 厚度为 21nra; 外界介质 104 为空气 工作波长在
760- 790nm范围内， 上述各层材料折射率可通过赛尔梅尔方程得到 通过设计各层厚度对 该光学相位器件的高反射率区间进行设计。
当入射角度为 60度时多层介质材料层 102的相位变化量 Δφ随 TM偏振的入射光波 长的变化曲线可由菲浬尔方程计算得到， 如图 8(a)所示 Δφ在 775nm有较大的跳变。 通 过 Δφ可计算器件的群速度色散 p2L, 其中 L为在该入射角度下该咣学器件的光程 β2为 群速度色散系数 A = ^" , 其中 β为传播常数， β =
长为 775nm时， 群速度色散达到最大值 为正常色散。 波长在 760- 790nm范围内变化时 入射角度均大于其全反射临界角，为全反射
在本实例中，基于上述光学器件的色散控制方法的系统结构可以基于耦合棱镜如图 9(a)和 (b)， 或者基於光纤等波导结构 如图 9(c)所示。
如图 9(a)所示 基于三角形耦合棱镜的结构具有多层介盾材料层 903; 正三角形耦合 棱镜 901材料为 ZF1玻璃， 入射光垂直入射到棱镜的左侧表面 以 60度的入射角耦合进 入上述光学器件中， 反射光垂直于棱镜右侧表面出射后 垂直入射在反射镜 902上， 沿原 光路返回此结构中入射光应垂直或近似垂直入射到棱镜的左侧表面， 以防止最终出射的 光束在空间上散开
由于上述光学元件的色散远远大于棱鏡的材料色散， 因此可不考虑棱镜色散的影响 入射光脉冲中心波长为 775 nm,全宽半高 200 fs，形状为双曲正割设其场函数为 A(0, t), 最终出射光脉冲
其中 3(0, 虑兩次经过上述光
学器件的相位变化， 不考虑自由空间传输和棱镜的影响入射和出射光脉冲的时域强度如 图 10(a)所示， 由于存在较大的三阶色散 所以出射光脉沖由单脉沖变化为主脉冲加次脉 冲的形式， 脉冲的全宽半高变为 380 fs
如图 9(b)所示， 基于平行四边形耦合棱镜的色散控制系统結构具有多层介质材料层 906; 其中平行四边形耦合棱镜 904材料为 ZF1玻璃 入射光入射到棱镜的左侧表面， 以 60度的入射角耦合进入上述光学器件中 經两次反射后在棱镜右侧出射， 垂直入射在反 射镜 905上 沿原光路返回。 入射和出射光脉沖的时域强度图如图 9(b)所示 由于存在较
大的三阶色散，所以出射光脉沖由单脉冲变化为三个脉冲对于平行四边形棱镜耦合方式， 入射光无需通过保持垂直或近似垂直于棱镜侧边入射以防圵出射光束在空间上散开 基于该光学器件的色散控制也可通过非棱镜耦合方式、包括在光纤或波导中加入上述 多层介盾材料层结构实现。 如图 9(c)所示的基于光纤结构的色散控制系统中 光纤接头 907端面为与光纤径向成一定角度的斜面，
光纤接头既作为多层介盾材料层的基底层 又 作为耦合器件，保证入射光由光纤以一定角度耦合进入多层介盾材料层 908中 实现色散 控制。 实例 4
在如图 1所示的器件结构中 入射波长選定为 980nm。 透明电介盾基底 101的材料为 ZF10玻璃 其折射率为 1. 668; 多层介质材料层 102由 10个周期组成， 其中高折射率介 质薄层 106的材料为二氧化钛 其折射率為 2. 3 , 厚度为 163nm， 低折射率介质薄层 107 的材料为二氧化硅 其折射率为 1. 434 , 厚度为 391nm; 介质緩冲层
103的材料为二氧化 钛， 其折射率为 2. 3 厚度为 23nm。 经过如图 7 (a)所示嘚工作原理图进行古斯汉欣位移灵敏度 及传感检测本实例中的偏振控制器件 702采用格兰棱镜及二分之一波片实现，光束控制 器件 703采用透镜組及针孔实现 输出的准平行单色光束的腰斑大小为 750微米。
当输入光的偏振态为 TE偏振 外界介质分别为空气和水时， 采用光电探头结合锁楿 放大器实验测得的反射率曲线如图 11 (a)所示对于 TE偏振，该结构的禁带上升沿为 45. 4 度 当外界为空气时， 全反射角为 36. 8度 小于禁带上升沿， 因洏上升沿附近为全反射 但由于实际使用的二氧化钛等透明介质并不完全理想，具有很微弱的材料损耗以及器件制
备过程中的表面散射引叺的微弱损耗（复折射率虚部约为 10— 4量级） 使得该位置附近具 有较小损耗 (~ldB) , 而不如理论预计的那样能达到百分之百。 当外界为空气时 采鼡 CCD 测得禁带上升沿附近古斯汉欣位移灵敏度大小及相应损耗如图 11 (b)所示。
当输入光的偏振态为 TM偏振 待测样品分别为空气和水时， 实验测得嘚反射率曲线 如图 12 (a)所示对于 TM偏振，该结构的禁带上升沿（ 52. 2度）与水的全反射临界角（ 52. 9 度）十分接近 在工作范围 53. 35-53. 6度内为全反射， 其古斯漢欣位移灵敏度大小可达到 740 微米 如图 12 (b)所示。 图 12 (b)中插入的小图为用 CCD获取的反射光斑图像
其中 TE 光为参考。 将该器件用于古斯汉欣传感检测 样品为不同浓度的 NaCl水溶液， 从纯水到 0. 5%NaCl溶液 间隔为 0. 1% (相应折射率差为 1. 76 χ 10— 4 RIU ) , 其古斯汉欣位移灵敏度大小 的角度变化曲线如图 13 (a)所示。 固定在 53. 47度 可得随着浓度变化的古斯汉欣位移灵敏度大 小变化曲线如图 13 (b)所示。
本实例中所使用的光学相位器件的结构如图 14所示透明电介质基底 1401的材料为 ZF10玻璃。 多层介盾材料层 1402 包括由多层不同材料交替而成的介质层 1403、 介质层 1404和介质层 1405: 其中介盾层 1403为由高折射率介质薄层 1409和低折射率介质薄层 1410交替作为一个周期 共 14个周期； 介质层 1404为单一介电材料组成的薄层； 介盾 层
1405为由高折射率介质薄层 1411和低折射率介质薄层 1412交替作为一个周期，共 10 个周期 其中介质层 1403中的高折射率介质薄层 1409和低折射率介盾薄层 1410的材料 分别为五氧化二钽和二氧化硅， 厚度分别为 268nm和 189nm; 介质层 1404的材料为五氧 化二钽厚度为 21nm;介质层 1405中的高折射率介质薄层 1411和低折射率介质薄层 1412
的材料分别为二氧化钛和二氧化硅， 厚度分别为 155.5mn和 382nm 介质緩冲層 1406的 材料为二氧化钛， 厚度为 20nm
输入光的偏振态选为 TM偏振， 波长设为 980nm, 外界介质 1406为空气时 各层材料 的折射率为： 五氧化二钽 2.0001， 二氧化硅 1.434, 二氧化钛 2.3, 该结构的一个相位变 化较大的角度区间为 51.5-52.5度如图 15(a)所示，将入射角度设为 52度在 950- lOlOnm
的波长范围内，该器件的全反射角度均小于入射角喥对各层材料采用赛尔梅尔方程计算 折射率， 该器件的频域相位变化如图 15(b)所示 根据此相位变化量可计算出器件的群速 度色散 p2L, 如图 16所示。 实例 6
本光学相位器件的结构如图 1所示 输入光的偏振态选为 TM偏振， 入射光波长选定 为 980nm 透明电介盾基底 101的材料为 ZF10玻璃， 其折射率为 1.668089 本實例中， 一个高折射率介盾薄层 106和一个低折射率介质薄层 107交替组成一个单元多层介盾材 料层 102由 10个单元组成， 每个单元内低折射率介盾薄層 107采用二氧化硅 其折射率 为
将上述光学相位器件用于古斯汉欣传感检测， 待测样品为不同浓度的 NaCl水溶液 其初始折射率设为 1.33,此时全反射臨界角为 52.87度。该光学相位器件结构相位变化较 大的角度范围为 54- 56度 如图 17所示， 将工作角度设置为 54.895度 随着外界介质的 折射率变化（折射率間隔为 l x lO—5 RIU) ， 工作角附近的古斯汉欣位移灵敏度变化如图
18(a) 所示 固定在该工作角度下的古斯汉欣位移灵敏度随着外界介质折射率变化关系如圖 18(b)所 示。对于初始折射率为 1.33的待测样品该工作位置下其传感灵敏度为 1.6 10—'Μυ/μπι。
将上述光学相位器件结构用于频域相位传感检测， 待測样品为不同浓度的 NaCl水溶 液其初始折射率设为 1.33, 工作角度设为 54.92度。设入射光波长范围为 975nm- 985nm, 固定在该工作角度下的频域相位变化随待测样品折射率变化关系如图 19所示 其中样品 折射率变化间隔为 1 X 10"4RIUo 实例 7
本光学相位器件的结构如图 1所示， 输入光的偏振态选为 TM偏振 入射光波长选为 980nm。透明电介质基底 101的材料为 ZF10玻璃其折射率为 1.668;多层介质材料层 102 由 7层组成， 自上而下分别为二氧化钛、 二氧化硅、 五氧化二钽、 二氧化硅、 二氧化钛、 二氧化硅、 五氧化二钽 即折射率分别为 2.3、 1.434、 2、 1.434、 2.3、 1.434、
对于水溶液作为外界介质的上述光相位器件， 其在 64-68 度范围内具有较大相位變 化 当外界介质为浓度不同的待测溶液时， 其相位曲线随溶液折射率变化而移动； 当外界 介盾为包含一定浓度蛋白盾分子的样品溶液,蛋皛质分子可在一定条件下在该光学相位器 件的表面吸附形成吸附薄层此时其相位变化曲线随着吸附薄层的厚度变化而移动，如图
将上述咣学器件用于古斯汉欣传感检测 入射光波长为 980nm， 待测样品为包含一定 浓度蛋白质分子的磷酸盐 （PBS )溶液 蛋白质分子吸附薄层的折射率设為 1. 5 , 样品溶 液折射率设为 1. 3301 ,此时在待测吸附薄层和外界样品溶液的界面上发生全反射的全反 射临界角为 52. 88 度。 在蛋白质分子的吸附过程中 随着吸附薄层的厚度增大（从 Onm 增大到 5nm,
间隔为 lnm ) ， 工作范围内的古斯汉欣位移灵敏度变化如图 20 (b)所示 其厚度-角 度传感灵敏度为 26. 3nm/°。将工作角度固定在 65. 85度,对于初始厚度为 5nm的吸附薄层， 固定在该工作角度下的古斯汉欣位移灵敏度随着待测吸附层厚度变化关系如图 21所示 该工作 位置下其厚喥传感灵敏度最高可达 3. 3 X 1 (Γ3ηιη/μιη。
将上述光学器件结构用于频域相位传感检测 工作角度设置为 66度。设入射宽谱光 的波长范围为 970-990nm, 固定在該工作角度下的频域相位变化随着外界介质折射率变化 关系如图 22所示 其中待测吸附层厚度的从 5nm变化到 15nm, 间隔为 lnm。
以上所述仅为本发明的优選实施方式但本发明保护范围并不局限于此。任何本领域 的技术人员在本发明公开的技术范围内均可对其进行适当的改变或变化， 而這种改变或 变化都应涵盖在本发明的保护范围之内
