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一种表面 等离子体共振传感系统

阅读：325发布：2020-05-13

专利汇可以提供一种表面等离子体共振传感系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种表面等离子体共振传感系统，该系统包括：介质层容器、折射率可变介质、等离子体层、待测液体、光源和反射光接收及处理器，介质层容器中有三层介质结构，该介质层容器的底层为折射率可变介质，中层为等离子体层，上层为待测液体。光源发出的光入射到待测液体中，在待测液体与折射率可变介质的界面上发生全反射，该全反射的反射光反射到反射光接收处理器中，反射光接收处理器接收并处理反射光。待测液体为光波导介质，当改变光波导介质的折射率使其不满足该系统的工作条件时，再相应地改变折射率可变介质的折射率，使其再一次满足该系统的工作条件，该系统将可以检测一个新折射率检测区间，从而使该系统外界折射率检测区间变化。，下面是一种表面等离子体共振传感系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种表面等离子体共振传感系统，其特征在于，所述系统包括：介质层容器、待测液体、等离子体层、折射率可变介质、光源和反射光接收及处理器；
所述介质层容器中具有三层介质结构，所述介质结构的底层为折射率可变介质，所述介质结构的中层为等离子体层，所述介质结构的上层为待测液体；
所述光源发出的光入射到所述待测液体中，在所述待测液体与所述折射率可变介质的界面上发生全反射，所述全反射的反射光反射到所述反射光接收及处理器中，所述反射光接收及处理器接收并处理所述反射光。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述折射率可变介质为纳米多孔介质材料、均匀掺杂其他材料来改变自身折射率的材料和通过施加电压或改变温度来改变自身折射率的材料中的任一种材料。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述纳米多孔介质材料为已知折射率的纯净介质材料均匀填充大小一致的空气球形孔制成。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述纳米多孔介质材料中通过改变所述空气球形孔的大小和密度来改变所述纳米多孔介质材料的折射率。
5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述折射率可变介质的折射率低于所述待测液体的折射率。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述等离子体层厚度为几十纳米。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述等离子体层中存在等离子体，所述等离子体为同种电荷带电粒子。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述等离子体层中的所述等离子体与消逝波发生共振，产生等离子体波并激发表面等离子体共振检测信号，所述消逝波为所述光源发出的光在所述待测液体与所述折射率可变介质的界面全反射产生的光波。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述等离子体层为金属等离子体层或具有丰富带电粒子的半导体材料。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述反射光接收及处理器接收携带有所述表面等离子体共振检测信号的反射光，并处理所述反射光，输出待测液体折射率信息。

说明书全文

一种表面 等离子体共振传感系统

技术领域

[0001] 本发明涉及测试仪器技术领域，尤其涉及一种表面等离子体共振传感系统。

背景技术

[0002] 现有的表面等离子体共振传感器是通过在光波导介质的表面上沉积纳米级的金属传感层而制成的。光波导介质中传导的光在到达介质与金属的界面时，满足金属层中的等离子体共振条件的那部分光会被金属层吸收，并转化成金属层中等离子体的振荡能量，光通过传感器之后的光谱会出现该部分光的缺失，如图1所示，光谱会出现共振峰的形式，且该共振峰的位置会随着外界折射率变化而移动，传感器可根据共振峰位置与外界折射率的一一对应关系来对外界折射率进行探测。

[0003] 现有的表面等离子体共振传感器由于使用了固定的光波导介质来传导光，其折射率是固定的，使得该传感器的外界折射率检测区间也是固定，而事实上很多折射率检测应用范围会超过该检测区间。工业生产中，需要检测化学溶液的浓度，对化学溶液的浓度可先用传感器测量折射率再转化成溶液浓度，但一些溶液折射率较高，超过现有的表面等离子体共振传感器的折射率检测范围，使用该传感器不能检测高折射率的溶液。现有表面等离子体共振传感器无法检测折射率接近或者高于自身的光波导介质折射率的溶液，且光工作窗口固定，灵敏度固定。

发明内容

[0004] 本发明的主要目的在于提供一种表面等离子体共振传感系统，用于解决现有表面等离子体共振传感器的外界折射率检测区间固定，外界折射率超过检测区间则无法检测的技术问题。

[0005] 为实现上述目的，本发明提供一种表面等离子体共振传感系统，所述系统包括：介质层容器、待测液体、等离子体层、折射率可变介质、光源和反射光接收及处理器；

[0006] 所述介质层容器中具有三层介质结构，所述介质结构的底层为折射率可变介质，所述介质结构的中层为等离子体层，所述介质结构的上层为待测液体；

[0007] 所述光源发出的光入射到所述待测液体中，在所述待测液体与所述折射率可变介质的界面上发生全反射，所述全反射的反射光反射到所述反射光接收及处理器中，所述反射光接收及处理器接收并处理所述反射光。

[0008] 从上述提供的表面等离子体共振传感系统可知，第一方面，该系统采用具有三层介质结构的介质层容器，将待测液体放置于介质层容器的上层，光源的光入射到待测液体中，该系统中的待测液体作为光波导介质，由于改变待测液体即可改变光波导介质的折射率，当改变光波导介质的折射率使其不满足该表面等离子体共振传感系统的工作条件时，可根据该光波导介质的折射率相应地改变折射率可变介质的折射率，使其再一次满足表面等离子体共振传感系统的工作条件，该系统将可以检测一个新的折射率检测区间，从而使该系统外界折射率检测区间变化；第二方面，入射光在待测液体与折射率可变介质的界面上发生全反射，微调折射率可变介质的折射率，入射光激发的等离子体共振光波长将改变，光工作波长变化，即改变了表面等离子体共振传感系统的光工作窗口，同时因为系统在不同光工作波长处的灵敏度是不同的，因此也改变了该系统的灵敏度。附图说明

[0009] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0010] 图1为表面等离子体共振传感器的归一化光谱图；

[0011] 图2为本发明实施例提供的一种表面等离子体共振传感系统。

具体实施方式

[0012] 为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0013] 现有技术中由于表面等离子体共振传感器的外界折射率检测区间固定，外界折射率超过检测区间则无法检测。为了解决上述技术问题，本发明提出一种表面等离子体共振传感系统。

[0014] 请参阅图2，图2为本发明实施例提供的一种表面等离子体共振传感系统，该表面等离子体共振传感系统包括：介质层容器1、待测液体2、等离子体层3、折射率可变介质4、光源5和反射光接收及处理器6，介质层容器1中具有三层介质结构，该三层介质结构的底层为折射率可变介质4，中层为等离子体层3，上层为待测液体2。

[0015] 其中，介质层容器1底层放置的折射率可变介质4为纳米多孔介质材料、均匀掺杂其他材料来改变自身折射率的材料和通过施加电压或改变温度来改变自身折射率的材料中的任一种材料，该纳米多孔介质材料为已知折射率的纯净介质材料均匀填充大小一致的空气球形孔制成，可通过改变该空气球形孔的大小和密度来改变该纳米多孔介质材料的折射率。

[0016] 其中，该空气球形孔的直径为纳米级，通过改变该空气球形孔的大小和密度可以调制纳米多孔介质材料的有效折射率。

[0017] 如图2所示，光源5发出的光入射到待测液体2中，在待测液体2与折射率可变介质4的界面上发生全反射，该全反射的反射光反射到反射光接收及处理器6中，反射光接收及处理器6接收并处理该反射光，输出待测液体2的折射率信息。

[0018] 其中，等离子体层3厚度为几十纳米。等离子体层3放置在介质层容器1的中层，光源发出的光入射到待测液体2中，经过等离子体层3时，由于等离子体层的厚度只有几十纳米，等离子体层3对入射光在待测液体2与折射率可变介质4的界面上发生全反射的影响可以忽略不计。入射光以大于临界角的入射角入射到折射率可变介质4中，在待测液体2与折射率可变介质4的界面上发生全反射，其中，在全反射过程，入射光在入射到待测液体2与折射率可变介质4的界面上时，会产生消逝波。

[0019] 进一步地，等离子体层3中存在等离子体，该等离子体为同种电荷带电粒子，当等离子体与消逝波发生共振时，将产生等离子体波7，并激发表面等离子体共振检测信号，该消逝波为光源发出的光在待测液体2与折射率可变介质4的界面全反射产生的光波。

[0020] 其中，等离子体层3中存在等离子体，等离子体与光全反射过程中产生的消逝波相遇发生共振，入射光的部分能量被等离子体吸收，被吸收能量的那部分光转化成等离子体的振荡能量，从而使反射光的光谱会出现部分光缺失，如图1所示，反射光的光谱会产生共振峰，其中，发生共振之后产生的表面等离子体共振检测信号即为反射光部分波长的光的缺失，即该反射光携带表面等离子体共振检测信号。

[0021] 进一步地，折射率可变介质4的折射率低于待测液体2的折射率，以使入射光能在待测液体2与折射率可变介质4的界面上能发生全反射。

[0022] 进一步地，等离子体层3为金属等离子体层或为具有丰富带电粒子的半导体材料。金属等离子体层与具有丰富带电粒子的半导体材料均具有丰富的同种电荷带电粒子，以使入射光在满足全反射的条件下能在等离子体层3中发生等离子共振。

[0023] 进一步地，反射光接收及处理器6接收携带有表面等离子体共振检测信号的反射光，并处理该反射光，输出待测液体2折射率信息。

[0024] 其中，反射光接收及处理器6接收该反射光，并处理得到如图1所示的光谱图，从图1中根据折射率与共振峰位置的一一对应关系可分析，得到待测液体2的折射率，输出待测液体的折射率信息。

[0025] 需要说明的是，本发明可以应用于监测不同折射率范围的溶液的生产过程，该表面等离子体共振传感系统只需通过调节折射率可变介质的折射率,可使得本发明适用于高、低折射率溶液的检测。本发明还可用于区分不同型号的汽油。

[0026] 从图2提供的表面等离子体共振传感系统可知，第一方面，该系统采用具有三层介质结构的介质层容器，将待测液体放置于介质层容器的上层，光源的光入射到待测液体中，该系统中的待测液体作为光波导介质，由于改变待测液体即可改变光波导介质的折射率，当改变光波导介质的折射率使其不满足该表面等离子体共振传感系统的工作条件时，可根据该光波导介质的折射率相应地改变折射率可变介质的折射率，使其再一次满足表面等离子体共振传感系统的工作条件，该系统将可以检测一个新的折射率检测区间，从而使该系统外界折射率检测区间变化；第二方面，入射光在待测液体与折射率可变介质的界面上发生全反射，微调折射率可变介质的折射率，入射光激发的等离子体共振光波长将改变，光工作波长变化，即改变了表面等离子体共振传感系统的光工作窗口，同时因为系统在不同光工作波长处的灵敏度是不同的，因此也改变了该系统的灵敏度。

[0027] 以上为对本发明所提供的一种表面等离子体共振传感系统的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

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