مقاله پژوهشی: افزایش حساسیت فاز در حسگر تشدید پلاسمون سطحی در چیدمان تداخل‌سنج هتروداین قطبشی مسیر مشترک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، گروه فیزیک، آزمایشگاه فوتونیک، دانشکده علوم پایه، دانشگاه قم، قم، ایران

2 دانش‌آموختۀ کارشناسی ارشد، آزمایشگاه فوتونیک، گروه فیزیک، دانشکده علوم پایه، دانشگاه قم، قم، ایران

چکیده

تشدید پلاسمون سطحی (SPR) برانگیختگی نوسانات تجمعی بار در فصل مشترک فلز و دی‌الکتریک است. از میان روش‌های مختلف اندازه‌گیری مبتنی بر پلاسمون سطحی، روش‌های برپایۀ اندازه‌گیری فاز دارای دقت و حساسیت بیشتری هستند.‎ فاز موج را می‌توان با دقت مناسبی به روش‌های مختلف تداخل‌سنجی اندازه‌گیری نمود. تداخل‌سنجی هتروداین قطبشی مسیر مشترک نسبت‌به روش هتروداین متداول دارای مزیت پایداری در برابر تغییرات ناشی از لرزش و تغییرات دمایی در محیط اطراف است. افزایش حساسیت، به‌عنوان یکی از چالش‌های مهم در طراحی و ساخت انواع حسگرهای مبتنی بر SPR، همواره مورد توجه بوده است. در این پژوهش، پس از بررسی نظری افزایش حساسیت فاز ناشی از اضافه نمودن تیغۀ ربع موج در تداخل‌سنج هتروداین قطبشی مسیر مشترک، تغییر فاز موج پلاسمون سطحی در چیدمان استاندارد تداخل‌سنج هتروداین قطبشی مسیر مشترک اندازه‌گیری می‌شود و از مقایسۀ نتایج حاصل با نتایج چیدمان اصلاح‌شده، افزایش حساسیت به اثبات می‌رسد. نتایج تجربی افزایش حساسیت حداقل 5/3 برابر را نشان می‌دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

The Phase Sensitivity Enhancement of the Surface Plasmon Resonance Sensor in the Common-path Polarization Heterodyne Interferometry

نویسندگان [English]

  • Seyed Hashem Aref 1
  • Nasrin Fallah 2
1 Assistant Professor, Photonics Laboratory, Department of Physics, Faculty of Science, University of Qom, Qom, Iran
2 M. Sc. Graduated, Photonics Laboratory, Department of Physics, Faculty of Science, University of Qom, Qom, Iran.
چکیده [English]

Surface plasmon resonance (SPR) is the excitation of cumulative charge oscillations in the metal-dielectric interface. Of the various surface plasmon-based measurement methods, phase-based measurement methods are the most accurate and sensitive. The wave phase can be measured with appropriate accuracy by various interferometry methods. The common path polarization heterodyne interferometry method compared to the conventional heterodyne method has the advantage of stability against changes in the ambient due to vibration and temperature changes. Increasing sensitivity has always been considered as one of the important challenges in designing and manufacturing various types of SPR-based sensors. In this study, after a theoretical investigation of enhancement of the phase sensitivity due to the addition of a quarter-wave plate in the common path polarization heterodyne interferometer, the SPR phase change in the standard common path polarization heterodyne interferometer arrangement is measured. Comparing the results with the results of the modified setup proves the phase sensitivity enhancement. Experimental results show a sensitivity enhancement of at least 3.5 times.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Surface Plasmon Resonance
  • Increased Phase Sensitivity
  • Phase Measurement
  • Common-path Polarization Heterodyne Interferometry (CPHI)
[1] Sarid D., Challener W.A., Modern Introduction to Surface Plasmons Theory, Mathematica Modeling, and Applications, 1st ed., Cambridge University Press, New York, 122-125, 2010.
[2] Kabashin A.V., Patskovsky S., Grigorenko A.N, Phase and amplitude sensitivities in surface  plasmon resonance bio and chemical sensing, Optics Express, 17, 21191-21204, 2009.
[3] Wu C., Jian Z., Joe S., Chang L., High-sensitivity sensor based on surface plasmon resonance and heterodyne interferometry, Sensors and Actuators B: Chemical, 92, 133-136, 2003.
[4] Kabashin A.V., Kochergin V.E., Beloglazov A.A., Nikitin P.I., Phase-polarisation contrast for surface plasmon resonance biosensors, Biosensors and Bioelectronics, 13, 1263–1269, 1998.
[5] Naraoka R., Kajikawa K., Phase detection of surface plasmon resonance using rotating analyzer method, Sensors and Actuators B, 107, 952–956, 2005.
[6] Su D.C., Chiu M.H., Chen C.D., Simple two-frequency laser, Precision Engineering, 18, 161–163, 1996.
[7] Kuo W.K., Chang C.H., Phase detection sensitivity enhancement of surface plasmon resonance sensor in a heterodyne interferometer system, Applied Optics, 50, 1345–1349, 2011.
[8] Hsieh M., Liao C., Lin J., Optical relative humidity sensor based on a polyvinyl alcohol film and a phase-enhancement total-internal-reflection heterodyne interferometer, Sensors and Actuators A: Physical, 316, 112412, 2020.
[9] Wu C.M., Pao M.C., Sensitivity-tunable optical sensors based on surface  plasmon resonance and phase detection, Optics Express, 12, 3509-3514, 2004.
[10] Lee .J.Y., Mai L.W., Hsu C.C., Sung Y.Y., Enhanced sensitivity to surface plasmon resonance phase in wavelength-modulated heterodyne interferometry, Optics Communication, 289 ,28–32, 2013.
[11] Aref S.H., Mahjor F., Phase shift mesurement in surface plasmon resonance sensor by the common-path polarization heterodyne interferometer, J. Res. Many. Sys., 8, 121-127, 2018. (in Persian)
[12] Aref S.H., SPR phase sensitivity enhancement in common-path polarization heterodyne interferometer by polarization tuning, Optik, 156, 619-627, 2018.
[13] Fallah N., Aref S.H., Increasing the phase sensitivity of the surface plasmon resonance in common-path interferometry, 26th Iranian conference on optics and photonics and 12th Iranian conference on engineering photonics, Kharazmi University, Karaj, 4-5 February 2020. (in Persian)
[14] Peyghambarian, N., Koch, S.W., Mysyrowicz, A., Introduction to Semiconductor Optics (Prentice Hall Series in Solid State Physical Electronics), 1st ed., Pearson College Div., 72-80, 1993.
[15] Gwon H.R., Lee S.H., Spectral and angular responses of surface plasmon resonance based on the Kretschmann prism configuration, Materials transactions, 51, 1150-1155, 2010.
[16] Wang S.F., Chiu M.H., Lai C.W., Chang R.S., High-sensitivity small-angle sensor based on surface plasmon resonance technology and heterodyne interferometry, Applied Optics, 45, 6702-6707, 2006.