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《中北大学》 2017年
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共线光外差干涉系统及其在相位调制SPR传感技术中的应用

张文静  
【摘要】:相位调制表面等离子体共振传感技术,是当前国内外生化、医药等领域的研究热点。结合光外差检测技术测量灵敏度高和表面等离子体共振时p光的相位发生突变而s光的相位基本不变的特性,构建了共线激光外差干涉系统。本文研究的目的是利用共线激光外差干涉系统和Kretschmann结构的传感装置,搭建高灵敏度相位调制表面等离子体共振传感器,研究同时测量相位和古斯-汉欣位移的方法,通过测量相位或古斯-汉欣位移,感知样品折射率的微小变化。这些工作,对研究相位变化与古斯-汉欣位移增强的相关性具有重要的理论意义,对优化和改进现有的相位调制表面等离子体共振传感检测方法以及设计微纳米级波导型光学器件具有实际应用价值。主要研究内容有:(1)以光的电磁理论为基础,讨论了光的偏振态、全反射特性和表面等离子体共振传感理论,包括倏逝波、古斯-汉欣位移及其与偏振态的关系、衰减全反射、光在金属中的传输特性、表面等离子体共振产生条件和Kretschmann结构;(2)分析了光的偏振显示及其在椭圆偏光测量中的应用,包括偏振显示原理、偏振方向显示实验和椭圆偏光测量实验;(3)阐述了弹光效应、弹光系数、声光衍射、正常和异常布拉格衍射以及声光调制器的基本结构及工作原理,研究了声光调制器驱动源数字线性电压控制技术,测量了驱动电压和1级衍射光功率;(4)构建了布拉格衍射实验系统,研究了钼酸铅声光调制器的幅度特性、频率特性、偏振特性以及衍射特性(衍射级次间互影响及频移漂移特性),分析了声光调制器的光强调制以及光束漂移对激光外差测量系统相位特性的影响,基于此,构建了双声光调制器共线激光外差测量系统,对其相位特性以及索列尔-巴比涅补偿器的标定方法进行了实验研究;(5)利用Kretschmann结构,研究了表面等离子体共振技术增强古斯-汉欣位移的特性,利用棱镜波导结构对古斯-汉欣位移进行了模拟研究,构建了共线激光外差相位调制表面等离子体共振传感实验系统,完成了相位测量实验。在此基础上,研究了同时测量相位和古斯-汉欣位移的方法。其主要创新点有:(1)制作了具有256级灰度线性声光调制器驱动电源(包括声光调制器驱动电源、微处理器、电子模拟开关和线性电压补偿技术),改善了驱动电源的线性度;(2)将双声光调制技术和偏振分光技术融合在一起,研究了拍频为“中频差”的单束正交线偏光产生系统,构建了共线激光外差测量系统,对其相位特性以及索列尔-巴比涅补偿器的标定进行了实验研究;(3)研究了棱镜底角为共振角附近某一角度的Kretschmann结构,完成了棱镜波导结构古斯-汉欣位移模拟研究;(4)研究了偏振可视的椭圆偏光测量系统,为构建基于CCD的表面等离子体共振相位椭圆偏振法测量系统提供了一种新思路;(5)研究了同时测量相位和古斯-汉欣位移的方法,该方法对优化和改进现有的相位调制表面等离子体共振传感检测方法,具有积极作用。
【关键词】:双声光调制器 索列尔-巴比涅补偿器 共线光外差测量系统 相位特性研究 表面等离子体共振 古斯-汉欣位移
【学位授予单位】:中北大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN249;TP212
【目录】:
  • 摘要5-7
  • Abstract7-12
  • 1.绪论12-28
  • 1.1 引言12-13
  • 1.2 SPR相位信号的提取方法研究现状13-20
  • 1.2.1 光学外差干涉法14-17
  • 1.2.2 干涉测量法17-18
  • 1.2.3 椭圆偏振法18-20
  • 1.3 古斯-汉欣位移SPR传感器国内外研究现状20-23
  • 1.4 光调制激光外差干涉系统研究现状23-25
  • 1.5 论文的主要工作和创新25-28
  • 1.5.1 论文的主要工作25-27
  • 1.5.2 论文的主要创新点27-28
  • 2.声光效应与声光调制器驱动源数字线性电压控制技术研究28-50
  • 2.1 引言28
  • 2.2 弹光效应和弹光系数28-30
  • 2.3 声光衍射30-35
  • 2.3.1 喇曼-奈斯衍射30-32
  • 2.3.2 布拉格衍射32-35
  • 2.3.2.1 布拉格方程32-34
  • 2.3.2.2 布拉格衍射光强及衍射效率34-35
  • 2.4 正常布拉格衍射和异常布拉格衍射35-39
  • 2.4.1 正常布拉格衍射36-37
  • 2.4.2 异常布拉格衍射37-39
  • 2.5 声光调制器39-41
  • 2.5.1 声光调制器的基本组成39-40
  • 2.5.2 声光调制的工作原理40-41
  • 2.6 声光调制器驱动源数字线性电压控制技术研究41-49
  • 2.6.1 声光调制器驱动源41-42
  • 2.6.2 声光调制器驱动源数字线性电压控制技术42-48
  • 2.6.2.1 设计要求及电路设计42-44
  • 2.6.2.2 程序设计44-46
  • 2.6.2.3 实验结果及分析46-48
  • 2.6.3 256 级灰度声光调制器驱动源数字线性电压控制技术48-49
  • 2.7 本章小结49-50
  • 3.声光调制器特性分析与共线光外差干涉系统相位特性研究50-72
  • 3.1 引言50
  • 3.2 声光调制器性能参数分析50-57
  • 3.2.1 布拉格衍射实验系统50-51
  • 3.2.2 声光调制器的幅度特性分析51-52
  • 3.2.3 声光调制器的频率特性分析52-53
  • 3.2.4 声光调制器的偏振特性分析53-57
  • 3.3 声光调制器的衍射特性分析57-60
  • 3.3.1 声光调制器衍射级次间互影响特性57-60
  • 3.3.2 声光调制器衍射光频移漂移特性60
  • 3.4 AOM的强度调制对光外差干涉系统的相位影响60-61
  • 3.5 光束漂移及其对光外差干涉系统相位的影响61
  • 3.6 共线光外差干涉系统相位特性研究61-71
  • 3.6.1 共线光外差干涉系统及工作原理62-65
  • 3.6.2 30MHz带通滤波器设计及其特性分析65-66
  • 3.6.3 共线光外差干涉系统实验结果及讨论66-68
  • 3.6.4 共线光外差干涉系统实验结果影响因素的分析68-71
  • 3.7 本章小结71-72
  • 4.古斯-汉欣位移理论与SPR传感原理72-93
  • 4.1 引言72
  • 4.2 光的偏振态72-73
  • 4.2.1 完全偏振光72
  • 4.2.2 矢量偏振光72-73
  • 4.3 光的全反射及其特性73-77
  • 4.3.1 全反射与倏逝波73-76
  • 4.3.2 古斯-汉欣位移76
  • 4.3.3 古斯-汉欣位移与偏振态的关系76-77
  • 4.4 SPR传感理论77-84
  • 4.4.1 衰减全反射77-78
  • 4.4.2 光在金属中的传输特性78-79
  • 4.4.3 SPR产生条件79-84
  • 4.4.4 光激励Kretschmann结构84
  • 4.5 偏振显示及椭圆偏光测量实验84-92
  • 4.5.1 偏振显示原理84-85
  • 4.5.2 偏振光偏振方向显示实验85-87
  • 4.5.2.1 实验装置与实验方法85-86
  • 4.5.2.2 实验结果与分析86-87
  • 4.5.3 椭圆偏光测量实验87-92
  • 4.5.3.1 实验装置与原理87-90
  • 4.5.3.2 实验结果与分析90-92
  • 4.6 本章小结92-93
  • 5.共线激光外差干涉相位调制SPR传感系统研究93-110
  • 5.1 引言93
  • 5.2 基于Kretschmann结构的增强古斯-汉欣位移的理论93-101
  • 5.2.1 基于Kretschmann结构的偏振光相位特性93-97
  • 5.2.2 基于Kretschmann结构的古斯-汉欣位移特性97-101
  • 5.3 棱镜波导结构的古斯-汉欣位移模拟101-102
  • 5.4 共线激光外差干涉相位SPR传感系统研究102-105
  • 5.5 同时测量相位和古斯-汉欣位移的方法研究105-109
  • 5.5.1 光电位置传感器PSD的工作原理105-107
  • 5.5.2 同时测量相位和GH位移的工作原理107-109
  • 5.5.3 同时测量相位和GH位移的注意事项及研究意义109
  • 5.6 本章小结109-110
  • 6.总结与展望110-113
  • 参考文献113-124
  • 攻读博士学位期间发表的论文及所取得的研究成果124-126
  • 致谢126

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