表面等離子體共振傳感的新現(xiàn)象、新方法及其溫度特性研究.pdf

1、本論文的研究工作是在國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃No．2006CB302905，國家自然科學(xué)基金No．60736037、No．10704070等項(xiàng)目的資助下完成的。主要從理論和實(shí)驗(yàn)上研究了表面等離子體共振傳感器的溫度特性；運(yùn)用嚴(yán)格耦合波分析(RCWA)方法，研究了光柵型表面等離子體共振傳感器的機(jī)理及其應(yīng)用。 本論文主要的研究工作和成果如下： 1.建立了完整的表面等離子體共振傳感器溫度特性理論分析模型，模型包括環(huán)境溫度變化對金

2、屬薄膜的厚度和介電函數(shù)，以及對電介質(zhì)層和待測物折射率影響的分析；分析了環(huán)境溫度變化對表面等離子體共振傳感器各部分影響的大??；比較了不同檢測方式的表面等離子體共振傳感器靈敏度的溫度穩(wěn)定性，分析表明角度檢測型SPR傳感器的溫度穩(wěn)定性優(yōu)于波長檢測型SPR傳感器；設(shè)計(jì)了一種光纖式表面等離子體共振溫度傳感器，并對光纖數(shù)值孔徑、傳感區(qū)域長度等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，其靈敏度可達(dá)201.9pm/K，遠(yuǎn)高于目前常用的光纖光柵型溫度傳感器。 2.研究

3、了以純水為待測物時(shí)環(huán)境溫度對普通棱鏡式SPR傳感器性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，共振角度向小角度方向移動，同時(shí)SPR曲線的半高全寬(FWHM)增大；利用由SpreetaTMSPR傳感模塊構(gòu)建的便攜式SPR傳感系統(tǒng)進(jìn)行了葡萄糖濃度測量，并實(shí)驗(yàn)研究了該系統(tǒng)的溫度特性；對在線傳輸式光纖SPR傳感器的溫度特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究；通過對普通棱鏡式、便攜式和光纖型SPR傳感器的溫度實(shí)驗(yàn)研究，很好地驗(yàn)證了我們建立的SPR傳感器溫度特性理論分析模型，為開

4、發(fā)高靈敏度的SPR溫度傳感器和抗溫度干擾的SPR傳感器提供了必要的參考。 3.運(yùn)用RCWA數(shù)值模擬方法研究了反射式金屬光柵SPR傳感器的靈敏度特性，并通過研究其光場分布給出了物理解釋，分析表明負(fù)階共振的光柵SPR傳感器的傳感靈敏度要遠(yuǎn)高于正階共振光柵SPR傳感器，且隨共振角的增大而遞增；設(shè)計(jì)了一種金屬光柵型SPR氫氣傳感器，理論分辨率可達(dá)0.001％氫氣濃度，并對金屬光柵周期、占空比、光柵深度，敏感層厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響進(jìn)行了分

5、析；提出了通過測量不同階次共振峰相對位置來提高光柵型SPR傳感器靈敏度的雙峰法，進(jìn)一步提高了光柵型SPR傳感器的性能。 4.運(yùn)用RCWA方法分析了金屬光柵—棱鏡復(fù)合型SPR傳感器的傳感特性。分別研究了亞波長金屬光柵對角度調(diào)制型和波長調(diào)制型SPR傳感器的靈敏度增強(qiáng)特性；分析了多個(gè)SPR共振峰的產(chǎn)生機(jī)制，提出了通過測量待測物—金屬界面的平面峰和光柵負(fù)階共振峰間距來提高光柵—棱鏡復(fù)合型SPR傳感器靈敏度的雙峰法；設(shè)計(jì)了一種光柵型長程表

6、面等離子體共振傳感器，其品質(zhì)因子可達(dá)普通薄膜型長程表面等離子體共振傳感器的2.4倍。 本論文創(chuàng)新點(diǎn)和特色： 1.全面分析了環(huán)境溫度對金屬薄膜的厚度和介電函數(shù)，以及對電介質(zhì)層和待測物折射率的影響，首次建立了完整的SPR傳感器溫度特性理論分析模型，并通過對普通棱鏡式、便攜式和光纖型SPR傳感器的溫度實(shí)驗(yàn)研究很好地進(jìn)行了驗(yàn)證，還用其分析了環(huán)境溫度對SPR傳感器各部分影響的大小。 2.首次發(fā)現(xiàn)了負(fù)階共振的反射式金屬光柵S