基于衰减全反射表面波的高灵敏度传感技术研究

发布时间：2020-06-01 12:48

【摘要】：随着社会经济的发展,环境问题日益突出。大气污染是环境污染的一个重要方面。当大气中的某些痕量气体(如:二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳等)含量很高时,就会对人体造成很大的伤害。因此,对大气中痕量毒害气体的监测显得尤为重要。如何实现对大气中痕量气体的检测是目前科学研究的一个重要方向。表面等离子体共振是一种倏逝场光学现象,它通过测量金属层表面物质折射率的变化来研究待测物质的浓度变化,在最近的几十年里,表面等离子体共振技术因其具有实时监测、高灵敏度、高精度以及高检测限的优点,被广泛应用在医疗诊断、食品安全和环境监测等领域。本文基于表面等离子体共振原理,利用衰减全反射光激发方法,设计了一套基于棱镜耦合的多层膜结构。利用转移矩阵分析方法,通过计算多层膜结构的Fresnel方程,理论计算出反射光谱随待测物浓度的变化关系,并基于此结构实现了该膜层的加工,利用该结构进行了相关的实验验证工作。本文主要内容如下:(1)设计了一套基于表面等离子体模和平面介质波导模耦合的多层膜结构,该多层膜结构主要由prism/Ag/SiO2/ZrO2/传感层构成,采用的是Kretschmann棱镜耦合方式。(2)为了验证设计的优化结构的实验检测能力,我们对不同浓度的食盐溶液进行了理论模拟,并基于此多层膜结构设计了一套试验系统,实验结果表明在误差允许的范围内,实验结果和理论结果取得了较好的相关性,并且在食盐的溶解度范围内,共振角和食盐浓度之间具有很好的线性关系,线性相关系数R2可达到0.9988.(3)理论计算了此结构对气体SO2的探测能力。
【图文】：

［Ｍｉｌ邋Ｍ＼２逡逑Ｍ＝逦（３．６）逡逑Ｍ２＼邋Ｍ２２逡逑ＴＭ偏振光下的振幅反射系数为逡逑ｒ邋＿邋（－＾ｉ邋］邋＋邋－＾１２？．Ｖ邋）？１邋￣邋（＾２１邋＋邋＾２２＾Ｎ邋）逦（３邋７）逡逑？邋＂邋（Ｍｎ邋＋ＭＸ２ｑＮ）ｑｘ邋＋（Ｍ２ｌ＋Ｍ２２ｑＮ）逡逑光强反射系数为逡逑Ｒ，＝Ｖｔｍ＼２逦（３．８）逡逑通过Ｍａｔｌａｂ编写程序从先前的公式中计算出在单色光源，角度扫描，基于衰减全逡逑反射方法的Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ棱镜z1合结构的光强随入射角变化的反射光谱（方程式３．８）。逡逑３．２理论模型结构逡逑１邋￡■逦Ｃ逦Ｃ逦‘逦ｋ逦ｂ逦ｂ逦Ｌ逦ｋ逦ｋ逦：逡逑

南京信息工程大学硕士学位论文＝邋１．３３３１时的反射光反射率曲线。当Ａｎ邋＝邋０．０００１ＲＩＵ，Ｉ增加了邋０．５８４５，故Ａｌ４５ＲＨＴ１。传统的由棱镜／Ａｕ（５０ｎｍ）构成的ＳＰＲ传感器，由于反射率曲线平缓的吸收峰，在反射光谱中，当水的折射率增加Ａｎ＝邋１．０邋ｘｌ（Ｔ２时，，Ａｌ０．３５，由此可以计算得到传统ＳＰＲ传感器的Ａｌｍａｘ／Ａｎ为３５ＲＩＬＴ１’，远计的优化模型的灵敏度。这个结果定性表明在优化结构中，反射光谱中由线型的存在，使得其品质因子是传统ＳＰＲ传感器的１６７倍。逡逑１逦Ｅ邋＾邋［邋［邋［邋［逡逑
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X51

【参考文献】

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本文编号：2691509