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表面等离子体共振传感的新现象、新方法及其温度特性研究

林开群  
【摘要】: 本论文的研究工作是在国家重点基础研究发展规划No.2006CB302905,国家自然科学基金No.60736037、No.10704070等项目的资助下完成的。主要从理论和实验上研究了表面等离子体共振传感器的温度特性;运用严格耦合波分析(RCWA)方法,研究了光栅型表面等离子体共振传感器的机理及其应用。 本论文主要的研究工作和成果如下: 1.建立了完整的表面等离子体共振传感器温度特性理论分析模型,模型包括环境温度变化对金属薄膜的厚度和介电函数,以及对电介质层和待测物折射率影响的分析;分析了环境温度变化对表面等离子体共振传感器各部分影响的大小;比较了不同检测方式的表面等离子体共振传感器灵敏度的温度稳定性,分析表明角度检测型SPR传感器的温度稳定性优于波长检测型SPR传感器;设计了一种光纤式表面等离子体共振温度传感器,并对光纤数值孔径、传感区域长度等结构参数进行了优化,其灵敏度可达201.9 pm/K,远高于目前常用的光纤光栅型温度传感器。 2.研究了以纯水为待测物时环境温度对普通棱镜式SPR传感器性能的影响,发现随着温度的升高,共振角度向小角度方向移动,同时SPR曲线的半高全宽(FWHM)增大;利用由Spreeta ~(TM)SPR传感模块构建的便携式SPR传感系统进行了葡萄糖浓度测量,并实验研究了该系统的温度特性;对在线传输式光纤SPR传感器的温度特性进行了实验研究;通过对普通棱镜式、便携式和光纤型SPR传感器的温度实验研究,很好地验证了我们建立的SPR传感器温度特性理论分析模型,为开发高灵敏度的SPR温度传感器和抗温度干扰的SPR传感器提供了必要的参考。 3.运用RCWA数值模拟方法研究了反射式金属光栅SPR传感器的灵敏度特性,并通过研究其光场分布给出了物理解释,分析表明负阶共振的光栅SPR传感器的传感灵敏度要远高于正阶共振光栅SPR传感器,且随共振角的增大而递增;设计了一种金属光栅型SPR氢气传感器,理论分辨率可达0.001%氢气浓度,并对金属光栅周期、占空比、光栅深度,敏感层厚度等结构参数的影响进行了分析;提出了通过测量不同阶次共振峰相对位置来提高光栅型SPR传感器灵敏度的双峰法,进一步提高了光栅型SPR传感器的性能。 4.运用RCWA方法分析了金属光栅—棱镜复合型SPR传感器的传感特性。分别研究了亚波长金属光栅对角度调制型和波长调制型SPR传感器的灵敏度增强特性;分析了多个SPR共振峰的产生机制,提出了通过测量待测物—金属界面的平面峰和光栅负阶共振峰间距来提高光栅—棱镜复合型SPR传感器灵敏度的双峰法:设计了一种光栅型长程表面等离子体共振传感器,其品质因子可达普通薄膜型长程表面等离子体共振传感器的2.4倍。 本论文创新点和特色: 1.全面分析了环境温度对金属薄膜的厚度和介电函数,以及对电介质层和待测物折射率的影响,首次建立了完整的SPR传感器温度特性理论分析模型,并通过对普通棱镜式、便携式和光纤型SPR传感器的温度实验研究很好地进行了验证,还用其分析了环境温度对SPR传感器各部分影响的大小。 2.首次发现了负阶共振的反射式金属光栅SPR传感器的传感灵敏度要远高于正阶共振的光栅SPR传感器,且随共振角的增大而递增,并通过研究其光场分布给出了物理解释;设计了一种金属光栅型SPR氢气传感器,理论分辨率可达0.001%氢气浓度,远高于目前常用的氢气传感器(0.1%)。 3.提出了通过测量不同共振峰相对位置来提高光栅SPR传感器灵敏度的双峰法;首次设计了一种光栅型长程表面等离子体共振传感器,其品质因子可达普通薄膜型长程表面等离子体共振传感器的2.4倍。


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