專利名稱：測量氣液體溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化的方法
技術領域：
本發明涉及的是一種測量技術領域的方法，特別是一種測量氣液體溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化的方法。
背景技術：
隨著激光技術的發展，激光傳感器在溶液濃度和吸收測量方面的應用取得了長足的進步。液體、氣體的溫度、吸收、濃度、組分等等特性，都與其折射率息息相關，上述這些特性發生變化時，都會引起其折射率發生相應的變化。通過表面等離子探測技術、泄露模波導探測技術等方法，可以對折射率的微小變化進行高靈敏度的檢測。這就使得對液體或氣體的溫度、吸收、濃度、組分等等特性的監測可以轉化為對其折射率的監測，并進而可以將折射率的微小變化轉化為放大的可被探測的光信號變化，從而解讀出待測液體中的相應變化。這些方法已經被廣泛的應用在物理、化學、生物、醫藥等廣泛的領域中。但在實際應用中，普遍存在著探測靈敏度不夠高、對于探測光信號的偏振特性要求高等問題，已經成為限制其進一步發展的障礙。
經對現有技術的文獻檢索發現，美國專利號為6903815，名稱為用于葡萄糖測量的光波導傳感器——器件、系統及方法。該技術所涉及的器件是在左右兩個耦合光柵之間形成多膜層結構，其中，多膜層結構的第一層為襯底層；第二層為導波層，其折射率高于第一、三層；第三層為生化酶和試劑層，第四為多孔凝膠層；第五層為篩狀導電層(篩狀金屬膜層)。第四和第五層以及器件僅控制待測溶液中的待測成分進入第三層，并不實際參與傳感和測量過程。第一、二、三層中，第二層的折射率最高，兩邊次之，組成典型的光波導結構，其中，第二層為導波層，第一和第三層分別為上下包覆層。由入射耦合光柵耦合進該器件的偏振光在第二層中傳輸，部分滲入第一和第三層。經過該光波導傳輸的光信號由出射耦合光柵耦合出該器件，并由一個光強探測器接收和處理。當待測溶液中待測成分通過上述逆電離子滲入系統與第三層相接觸的時候，將會與第三層發生一系列生化反應，并改變第三層的折射率，從而導致該光波導的傳輸特性發生改變，并進一步的引起其中傳輸的光信號發生變化。這一變化由出射耦合光柵處放置的光強探測裝置捕捉到。這樣就實現了通過檢測光信號來傳感待測溶液中葡萄糖濃度變化。但由于在這種結構中，樣本被放置在光波的迅衰場中(第三層)，在這一層里，光波的能量迅速衰減，光波與待測樣本的相互作用非常有限，這直接導致了這種方法的測量靈敏度雖然比現有的傳統方法要高一些，但難以在此基礎上進一步提高。

發明內容
本發明針對現有技術的不足，提供一種測量氣液體溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化的方法。使其采用上層金屬膜-樣品腔-下層金屬膜三層結構，在此結構中，中間的樣品層折射率最高，上下兩層金屬膜，折射率較低；這樣，就將待測樣本置于波導結構的導波層中，極大的提高了測量的靈敏度。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明利用激光束聚焦入射到上層金屬膜-樣品腔-下層金屬膜的波導結構中，部分光信號被波導結構吸收，于是導致反射光斑中出現明暗相間的條紋；進而利用這些條紋對置于樣品腔中的待測液體、氣體樣本的溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化非常敏感的特性，通過對光斑明暗條紋的檢測而實現對于液體、氣體樣本的溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化高靈敏度和實時測量。
以下對本發明作進一步的說明，具體步驟如下第一步選擇材料和相應的參數，形成上層金屬膜-樣品腔-下層金屬膜的波導結構；金屬膜材料選擇銀、金、鋁、銅，要求其在光頻范圍內介電常數實部εr≤-8，介電常數虛部εi≤5.0；上層金屬膜的厚度在5nm～70nm之間，樣品腔的厚度在10μm～2mm之間，下層金屬膜厚度大于10nm；第二步選擇入射光波長及入射角度。激光光源的工作波長在560nm～1300nm范圍內選擇，激光器輸出的激光束經過擴束后聚焦入射到上述波導結構中，選擇入射角度，要求能夠在反射光斑中觀察到明暗條紋；第三步在上述波導結構的另一側檢測出射光斑，通過監測出射光斑中明暗條紋的變化，并將之與標準樣本的條紋作對比，就可實現檢測上述波導結構中樣品腔中待測液體、氣體樣本的溫度、吸收、濃度、組分和折射率的變化。
在上層金屬膜-樣品腔-下層金屬膜的波導結構中，中間一層材料的折射率最高，兩邊次之，中間的一層叫做導波層，兩邊稱為包覆層或覆蓋層。在這種結構中，光波以振蕩場形式在導波層中傳播，光波的能量集中在這里，與導波層介質的相互作用也最強。因此，如果將待測樣本置于波導的導波層中，就能顯著的提高探測的靈敏度。
激光光束聚焦入射到上述波導結構中，某個入射角度的光信號如果恰能滿足波導耦合條件，就會被耦合到波導結構中，而其他入射角度的光信號會被反射出來。并且，由于波導耦合條件具有準周期性的特征，這樣，入射光中就會有一系列角度的光被耦合到波導中，于是就會形成明暗相間的條紋狀反射光斑。導波層的折射率是決定波導耦合條件的主要因素之一，因此，當樣品腔中作為波導層的待測樣本的折射率發生微小變化時，波導耦合條件也會發生相應的變化，從而帶來反射光斑中明暗條紋的變化。而樣品層的折射率又與樣品腔中待測液體、氣體樣本的溫度、吸收、濃度和組分等特性密切相關，這就使得通過檢測明暗條紋的變化來對上述特性的變化進行測量成為可能。
本發明中，創造性的將待測樣本置于光波導結構的導波層中，并通過檢測反射光斑中明暗條紋的變化來對液體、氣體樣本的溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化做出檢測，顯著的提高了探測的靈敏度；并且由于這種結構對于探測光的偏振特性不敏感，也降低了對于探測光路的要求。
本發明廣泛應用于多種液體或氣體的溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化的測量，尤其是生化反應中實時濃度測量和反應過程檢測。本發明實現了高靈敏度、低消耗量、快速實時的測量。
具體實施例方式
實例1第一步形成上層金屬膜-樣品腔-下層金屬膜的波導結構，上層金屬膜厚度為5nm，樣品腔厚度為1mm，下層金屬膜厚度為10nm。金屬采用金(560.0nm波長下ε＝-8.2+i1.79)，樣品采用空氣，介電系數(折射率的平方)為1.00；
第二步激光波長為560.0nm，擴束后聚焦入射到上述結構中，入射角為2°。出射光斑中出現明暗相間的條紋；第三步在上述波導結構的另一側檢測出射光斑，并記錄其明暗條紋移動的角度。
根據計算表明對樣品介電系數(折射率的平方)的檢測可以達到2×10-6(明暗條紋移動1.436×10-3度)。樣品腔內不同樣品介電系數和明暗條紋的移動變化列在下表中。

實例2第一步形成上層金屬膜-樣品腔-下層金屬膜的波導結構，上層金屬膜厚度為25nm，樣品腔厚度為2mm，下層金屬膜厚度為32nm。金屬采用金(690.0nm波長下ε＝-14.4+i1.22)，樣品采用純水，介電系數(折射率的平方)為1.77；第二步激光波長為690.0nm，擴束后聚焦入射到上述結構中，入射角為5°。出射光斑中出現明暗相間的條紋；第三步在上述波導結構的另一側檢測出射光斑，并記錄其明暗條紋移動的角度。
根據計算表明對樣品介電系數(折射率的平方)的檢測可以達到2×10-6(明暗條紋移動0.632×10-3度)。樣品腔內不同樣品介電系數和明暗條紋的移動變化列在下表中。


實例3第一步形成上層金屬膜-樣品腔-下層金屬膜的波導結構，上層金屬膜厚度為60nm，樣品腔厚度為10μm，下層金屬膜厚度為90nm。金屬采用金(1300.0nm波長下ε＝-67.9+i6.60)，樣品采用純水，介電系數為(折射率的平方)1.77；第二步激光波長為1300.0nm，擴束后聚焦入射到上述結構中，入射角為30°。出射光斑中出現明暗相間的條紋；第三步在上述波導結構的另一側檢測出射光斑，并記錄其明暗條紋移動的角度。
根據計算表明對樣品介電系數(折射率的平方)的檢測可以達到1×10-5(明暗條紋移動0.646×10-3度)。樣品腔內不同樣品介電系數和明暗條紋的移動變化列在下表中。

權利要求
1.一種測量氣液體溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化的方法，其特征在于，利用激光束聚焦入射到上層金屬膜-樣品腔-下層金屬膜的波導結構中，部分光信號被波導結構吸收，于是導致反射光斑中出現明暗相間的條紋；進而利用這些條紋對于置于樣品腔中的待測液體、氣體樣本的溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化非常敏感的特性，通過對光斑明暗條紋的檢測而實現對于液體、氣體樣本的溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化高靈敏度和實時測量。
2.根據權利要求1所述的測量氣液體溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化的方法，其特征是，具體步驟如下第一步選擇材料和相應的參數，形成上層金屬膜—樣品腔—下層金屬膜的波導結構；金屬膜材料選擇銀、金、鋁、銅，其在光頻范圍內介電常數實部εr≤-8，介電常數虛部εi≤5.0；第二步選擇入射光波長及入射角度，激光光源的工作波長在560nm～1300nm范圍內選擇，激光器輸出的激光束經過擴束后聚焦入射到上述波導結構中，選擇入射角度，要求能夠在反射光斑中觀察到明暗條紋；第三步在上述波導結構的另一側檢測出射光斑，通過監測出射光斑中明暗條紋的變化，并將之與標準樣本的條紋作對比，實現對上述波導結構中樣品腔中待測液體、氣體樣本的溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化的檢測。
3.根據權利要求1或者2所述的測量氣液體溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化的方法，其特征是，上層金屬膜的厚度在5nm～70nm之間。
4.根據權利要求1或者2所述的測量氣液體溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化的方法，其特征是，樣品腔的厚度在10μm～2mm之間。
5.根據權利要求1或者2所述的測量氣液體溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化的方法，其特征是，下層金屬膜厚度大于10nm。
全文摘要
一種測量技術領域的液體、氣體樣本的溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化測量方法，利用激光束聚焦入射到上層金屬膜－樣品腔－下層金屬膜的波導結構中，部分光信號被波導結構吸收，于是導致反射光斑中出現明暗相間的條紋；進而利用這些條紋對于置于樣品腔中的待測液體、氣體樣本的溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化非常敏感的特性，通過對光斑明暗條紋的檢測而實現對于液體、氣體樣本的溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化高靈敏度和實時測量。本發明具有實質性特點和顯著進步，可以廣泛應用于多種液體、氣體的溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化的高靈敏度、低消耗量、快速實時測量，尤其是生化反應中的實時濃度和反應過程檢測。
文檔編號G01N21/41GK1758027SQ20051003076
公開日2006年4月12日 申請日期2005年10月27日 優先權日2005年10月27日
發明者陳洸, 曹莊琪, 顧江華, 沈啟舜 申請人:上海交通大學