光学SPR传感器相位检测系统研究

论文摘要

表面等离子体波共振(SPR)传感器自提出以来,得到了广泛研究。本文围绕基于相位调制的SPR传感系统的设计展开研究,全文内容包括SPR相位检测的原理、系统设计和改进等内容。本文从以下几个方面展开:本文首先回顾了SPR的研究历程,阐述了SPR产生的基本原理。根据Kretschmann结构模型,以Fresnel公式为理论指导,通过数值模拟,分析了SPR相位检测的机理和特性以及影响因素。指出相位调节具有其它调节方式的优势,提出了通过干涉进行检测的途径。其次,根据迈克尔逊干涉的原理,设计了一种SPR相位检测的系统,开展了初步的实验,给出了从干涉图像中解调相位的方法和源程序,同时,对实验系统进行了分析讨论,提出了改进的方案。再次,提出了通过共光路干涉检测SPR相位变化的方法,设计了一套干涉检测系统,并对系统的各个部件进行了设计,通过渥拉斯顿棱镜引入空间相位调制的方法,确定了从干涉图形中进行相位解调的方法。最后,根据SPR的基本原理,提出分布式SPR传感器和SPR光学滤波器的原理,分别设计了几种不同结构的分布式传感器和滤波器结构,对其影响因素、控制方法、性能优化设计进行了讨论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景、意义及现状
• 1.1.1 折射率测量
• 1.1.2 生化检测
• 1.1.3 环境监测
• 1.2 论文工作的目的和意义
• 1.3 本章小结
• 第二章 SPR 相位检测原理
• 2.1 对SPR 的认识过程
• 2.2 SPR 产生的条件
• 2.2.1 衰减全反射
• 2.2.2 倏逝波
• 2.2.3 复折射率
• 2.2.4 入射光条件
• 2.2.5 耦合的条件
• 2.2.6 SPR 的耦合方式
• 2.3 SPR 相位检测原理
• 2.3.1 数学模型
• 2.3.2 数值模拟
• 2.4 本章小结
• 第三章 系统与分析
• 3.1 干涉原理
• 3.1.1 干涉条纹的强度分布
• 3.1.2 干涉条纹的对比度
• 3.2 迈克尔逊SPR 干涉测量系统
• 3.2.1 迈克尔逊干涉测量原理
• 3.2.2 迈克尔逊SPR 干涉测量系统
• 3.3 系统结构设计
• 3.3.1 SPR 棱镜的设计
• 3.3.2 棱镜的安装和角度调节
• 3.4 实验与分析
• 3.5 图像处理
• 3.6 系统分析与讨论
• 3.7 本章小节
• 第四章 SPR 相位检测系统改进设计
• 4.1 共光路SPR 相位检测的原理
• 4.1.1 共光路干涉检测原理
• 4.1.2 SPR 平行偏振光干涉
• 4.1.3 渥拉斯顿棱镜的应用
• 4.2 SPR 共光路相位检测系统
• 4.2.1 系统整体设计
• 4.2.2 光源系统
• 4.2.3 渥拉斯顿棱镜的选择和设计
• 4.2.4 一维扩束系统设计
• 4.3 图像处理
• 4.3.1 图像采集器材的选择
• 4.3.2 干涉图像处理方法
• 4.4 本章小结
• 第五章 光纤结构SPR 相位检测研究
• 5.1 光纤结构SPR 相位检测原理
• 5.1.1 数学模型
• 5.1.2 数值模拟
• 5.1.3 影响因素
• 5.2 基于马赫-泽德尔干涉检测系统
• 5.2.1 检测原理
• 5.2.2 测量系统
• 5.2.3 检测方案
• 5.3 本章小结
• 第六章 SPR 分布式传感器与SPR 光学滤波器研究
• 6.1 分布式设计的意义
• 6.2 分布式SPR 传感器的原理
• 6.3 分布式SPR 传感器的设计
• 6.3.1 光纤结构分布式SPR 传感器
• 6.3.2 棱镜结构分布式SPR 传感器
• 6.3.3 波导结构分布式SPR 传感器
• 6.3.4 组合结构分布式SPR 传感器
• 6.4 分布式SPR 传感器中传感部位数量的设计
• 6.5 分布式设计的评判
• 6.6 SPR 光学滤波的原理
• 6.7 共振次数的影响
• 6.8 SPR 滤波器设计
• 6.9 滤波范围的调节
• 6.10 滤波效果的优化
• 6.11 本章小结
• 第七章 全文总结以及对下一步工作的建议
• 7.1 全文总结
• 7.2 不足与建议
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的课题研究及发表的学术论文
• 附录