金属光栅表面等离子体共振传感器的研究

论文摘要

表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance, SPR)技术是通过监测金属表面物质折射率的变化情况来分析研究物质的性质的一种新兴生物化学监测技术。由于该技术具有对检测样品无需标记、可以实现实时监测等特点,使得基于SPR技术的SPR共振传感器逐渐成为研究的新热点。目前对SPR传感器的研究的一个重要方面是提高该传感器的灵敏度。本文立足于研究光栅耦合式SPR传感芯片,主要研究如何通过改变金属光栅结构增强SPR共振峰的值。本论文基于表面等离子体共振原理与严格耦合波分析方法,研究金材料光栅的SPR共振传感器。采用计算机模拟的方法,运用严格耦合波分析方法,模拟计算了在红外波段光入射下一维矩形金光栅及正弦金光栅在不同光栅结构参数下的反射率,得到了这两种光栅不同光栅结构参数下的SPR共振光谱,进而分析了这两种光栅的不同结构参数对表面等离子体共振的影响。先后分析了矩形光栅的凹槽深度、光栅占空比、光栅金基底的厚度对表面等离子体共振的影响；分析了正弦金光栅的槽深、金基底厚度对表面等离子体共振的影响从而得到了获得最大的SPR共振深度时的光栅结构参数值。光栅除了常见的矩形与正弦形状外,还有其他形状,对于如何寻找更优的光栅形状以得到更大的表面等离子体共振深度,本文进行了探索。本文为优化光栅面型函数以获得更大SPR共振深度提供了一种新方法：将基本的光栅面型函数展开、分析再重构的构造面型函数方法,并运用该方法成功构造了一个光栅面型函数。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 表面等离子体共振传感器概述
• 1.3 本论文的主要研究内容与意义
• 1.3.1 本论文的研究意义
• 1.3.2 本论文的研究内容与安排
• 第二章 表面等离子体共振原理与检测方法
• 2.1 金属和介质界面处的表面等离子体波
• 2.2 光学方法产生表面等离子体共振
• 2.2.1 棱镜耦合方法
• 2.2.2 光栅耦合方法
• 2.3 表面等离子体共振传感器的检测方法
• 2.4 SPR传感芯片中金属的选择
• 2.5 本章小结
• 第三章 严格耦合波分析方法
• 3.1 一维矩形金属光栅的衍射效率
• 3.1.1 任意偏振光的衍射效率
• 3.1.2 TM偏振光的衍射效率
• 3.2 任意面型结构金属光栅的衍射效率
• 3.3 本章小结
• 第四章 金属光栅结构对表面等离子体共振的影响
• 4.1 一维矩形金属光栅结构对表面等离子体共振的影响
• 4.1.1 一维矩形金属光栅的结构参量
• 4.1.2 光栅的周期对表面等离子体共振的影响
• 4.1.3 矩形光栅的凹槽深度对表面等离子体共振的影响
• 4.1.4 矩形光栅的占空比对表面等离子体共振的影响
• 4.1.5 金基底的厚度对表面等离子体共振的影响
• 4.1.6 光栅参量的优选
• 4.2 一维正弦金属光栅对表面等离子体共振的影响
• 4.2.1 一维正弦光栅的结构
• 4.2.2 一维正弦光栅的槽深对表面等离子体共振的影响
• 4.2.3 金基层对表面等离子体共振的影响
• 4.2.4 光栅参量的优选
• 4.3 模拟结果的讨论分析
• 4.4. 本章小节
• 第五章 光栅面型对表面等离子体共振的影响
• 5.1 光栅面型函数展开分析再重构方法的提出
• 5.2 面型函数的傅里叶展开
• 5.3 傅里叶展开式各项对表面等离子体共振的影响
• 5.4 对面型函数的优化
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间已发表的论文