光纤SPR传感器和消色差复合太赫兹波片的设计研究

摘要

光纤表面等离子体共振(SPR)传感技术成为近年来国内外研究热点之一。本文对光纤SPR传感器进行了研究。本研究主要内容包括：
　　 ⑴在理论上利用菲涅尔定理和转移矩阵法详细阐述了光纤SPR传感器的原理，建立了光纤SPR传感结构的理论模型，并利用该理论模型解释了SPR传感结构的角度调制方式和波长调制方式的实现原理。同时本文系统的模拟了镀膜厚度、传感器探头几何形状和包层纤芯折射率比值对传感器灵敏度和精确度的影响。模拟发现，镀膜厚度的变化会同时影响传感器的灵敏度和精确度;传感器探头的长度和芯径的变化不会影响传感器的灵敏度，但会影响传感器的精确度和出射光强;一定范围内增大包层纤芯折射率的比值会提高传感器的灵敏度。
　　 ⑵从提高传感器灵敏度的角度出发，研究了一种新型的锥型传感器探头，并模拟了该锥型探头锥度比对传感器灵敏度的影响。研究发现该锥型探头能有效地增加传感器的灵敏度，当锥度比在1.2至1.8之间时，该锥型传感器有较高的性能。
　　 ⑶研制了两种光纤SPR传感器探头:圆柱形探头和锥型探头，并且搭建了实验系统，实现了对溶液折射率的测试。实验结果显示，圆柱型探头的灵敏度为2510nm/RIU，锥型探头传感器灵敏度为3940nm/RIU，两探头实验结果与理论模拟值符合的很好，验证了理论模拟结果。其中锥型探头的灵敏度是普通探头的1.6倍，对高灵敏度探头的制备具有重要指导意义。
　　 ⑷在太赫兹技术方面，本文依据复合波片理论，编写了模拟退火算法，设计出了太赫兹下的消色差复合太赫兹1/4波片。该波片在两个太赫兹波段下具有理想的消色差性能，在0.2-2 THz波段范围内波片相位延迟偏差小于2％，在0.2-3 THz波段范围内波片相位延迟偏差小于4％。本文系统分析了不同石英玻片个数对消色差复合太赫兹波片的消色差性能以及厚度和损耗的影响。分析表明，随着石英玻片个数的增加，波片的消色差性能也会越好，同时，波片的厚度也随之增加，导致对太赫兹波的损耗增加。结果显示，在0.2-2 THz和0.2-3 THz范围内，太赫兹1/4波片采用5个玻片为最佳，此时可以获得较好的消色差性能，同时波片的厚度和损耗也在可实际应用范围内。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 光纤传感器概述

1．1．1 光纤传感器组成及基本原理

1．1．2 光纤传感器的优点及其应用

1．2 表面等离子体共振

1．2．1 表面等离子体

1．2．2 表面等离子体共振的条件

1．3 光纤SPR传感器

1．3．1 光纤SPR传感器结构

1．3．2 光纤SPR传感器研究现状

1．4 太赫兹波片概述

1．4．1 太赫兹

1．4．2 波片

1．4．3 太赫兹波片研究现状

1．5 本文研究内容

第二章 光纤SPR传感器基本原理

2．1 Kretschmann型SPR传感器原理

2．2 光纤SPR传感器原理

2．2．1 光纤SPR传感器的结构

2．2．2 能量反射率

2．2．3 传感器的灵敏度和精确度

2．3 本章小结

第三章 光纤SPR传感器探头的设计仿真

3．1 圆柱形结构的光纤SPR传感器

3．1．1 镀膜厚度对灵敏度影响

3．1．2 传感器长度对灵敏度影响

3．1．3 光纤包层和纤芯折射率对灵敏度影响

3．2 锥型传感器的研制

3．2．1 锥型探头的结构

3．2．2 锥度比TR的对灵敏度的影响

3．3 本章小结

第四章 光纤SPR传感器实验及其结果

4．1 探头制备

4．1．1 圆柱形探头制备

4．1．2 锥型探头的制备

4．1．3 镀金属膜

4．2 传感器系统的搭建

4．3 实验过程

4．3．1 光源稳定性测试

4．3．2 利用传感器测定不同折射率溶液实验结果

4．4 本章小结

第五章 复合太赫兹波片的设计研究

5．1 复合波片设计理论

5．1．1 复合波片的矩阵光学分析

5．1．2 模拟退火算法

5．1．3 复合波片的材料

5．2 优化结果及分析

5．2．1 不同玻片个数下的相位延迟

5．2．2 不同玻片个数下的目标优化函数值

5．2．3 不同玻片个数下的相位延迟失谐量

5．2．4 不同玻片个数下的损耗

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文