利用SPR传感技术检测波长研究

论文摘要

表面等离子体共振(SPR)是一种物理光学现象。利用光在玻璃界面处发生内全反射时的倏逝波,可以引发金属表面的自由电子形成在金属—介质界面传播表面等离子体波。在入射角或波长为某一适当值的条件下,表面等离子体波与倏逝波的频率和波数相等,二者将发生共振,也就是表面等离子振荡。此时,入射光被吸收,反射光能量急剧下降,表面等离子体波光调制器正是运用这个原理来对激光进行调制。由于其对金属表面的电介质折射率变化的灵敏响应,可以用于实时跟踪发生在金属薄层表面与介质折射率变化相关的物理量变化以及化学生物的反应和转化过程,SPR技术被广泛应用于生物化学、免疫技术、制药等领域。本论文首先回顾SPR的理论和实践应用的发展历程,分析了常用的SPR传感系统和特点。第二章,从电动力学和物理光学的理论出发,详细讨论了光的反射定律、折射定律和光的全反射,推导光在金属表面的反射和折射。在考虑金属的等离子体特性前提下,研究金属的等离子体振荡原理,金属等离子体的光波激发,最后计算出金属表面等离子体的共振条件和反射率公式,为SPR传感器的设计和应用提供了理论支持。第三章,以Kretschmann型棱镜为研究基础,详细介绍了Kretschmann型棱镜的结构、分类和常用的检测方法,简要介绍了Kretschmann型棱镜的加工工艺。第四章,介绍了利用SPR传感系统进行光源波长检测的具体实验设备和实验过程,详细地介绍了各个实验设备的具体参数和性能。实验采用角度调节方法,通过对宽带光源进行测量,计算系统的波长分辨率、绘制实验曲线,比对理论数据,得出实验结论。最后对本课题进行了总结和展望,总结了本课题存在的不足,提出了今后研究、应用方向和整改意见。总之,本论文对基于SPR效应的传感理论进行了比较深入的探讨,根据以往的经验设计制作了Kretschmann型棱镜SPR传感器,搭建了角度调制型的SPR传感系统。同时,设计并实现了对光源波长的检测方法,为光学波长解调、光学信息处理和光学检测提供了新的思路。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 SPR传感器的研究背景
• 1.2 SPR传感器的研究特点、现状和发展趋势
• 1.2.1 SPR传感器的研究特点
• 1.2.2 SPR检测系统的研究现状
• 1.2.3 SPR传感器的发展趋势
• 1.3 常用SPR传感器的特点及应用
• 1.3.1 棱镜型SPR传感器的特点
• 1.3.2 光纤型SPR传感器的特点及应用
• 1.4 论文研究的意义及内容
• 第2章 金属表面等离子体波（SPW）共振原理
• 2.1 光波的基本性质
• 2.1.1 光的传播
• 2.1.2 光的偏振
• 2.1.3 光的反射和折射、全反射
• 2.2 金属对光的反射和折射
• 2.3 金属等离子体波的振荡原理
• 2.3.1 体等离子体振荡
• 2.3.2 表面等离子体波
• 2.4 表面等离子体波共振
• 2.4.1 表面等离子体波共振条件
• 2.4.2 SPW的光波激发
• 2.5 金属表面等离子体波的特性
• 2.6 本章小结
• 第3章 Kretschmann型棱镜表面等离子体波传感器
• 3.1 Kretschmann型棱镜的基本性质
• 3.1.1 Kretschmann型棱镜结构
• 3.1.2 Kretschmann型棱镜分类
• 3.1.3 Kretschmann型棱镜的特点和检测方法
• 3.2 Kretschmann型棱镜表面等离子体波传感器的设计、制作
• 3.2.1 金属传感层材料和厚度的确定
• 3.2.2 Kretschmann型棱镜SPR传感器的制作工艺
• 3.3 本章小节
• 第4章 Kretschmann型SPR传感器检测系统和波长检测应用
• 4.1 Kretschmann型棱镜SPR传感器检测系统介绍
• 4.1.1 Kretschmann型棱镜SPR传感器检测系统整体概况
• 4.1.2 光源
• 4.1.3 偏振棱镜
• 4.1.4 Kretschmann型棱镜
• 4.1.5 光纤光谱分析仪
• 4.1.6 精密位移台
• 4.2 Kretschmann型SPR传感器检测波长的应用实例
• 4.2.1 预备实验
• 4.2.2 检测1550nm红外ASE光源的SPR响应曲线
• 4.2.3 实验数据及结论
• 4.2.4 数据处理和分析
• 4.2.4.1 理论计算和曲线拟合
• 4.2.4.2 实验数据处理和曲线拟合
• 4.3 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 论文工作总结
• 5.2 论文改进与展望
• 5.3 应用展望
• 参考文献
• 致谢