转臂式角分辨光谱测量系统及其关键技术研究

摘要

金属表面的自由电子在入射电磁场作用下发生振荡，从而产生一种沿着金属表面传播的电磁波，被称为表面等离子体(Surface Plasmons，SPs)。SPs是一些重要的表面现象的物理基础，如表面增强拉曼、表面增强荧光、表面等离子体传感等。由SPs的耦合条件可知，SPs的激发与发射具有方向性，因此角分辨光谱是表征金属微纳结构及其表面等离子体的一种必要的研究手段。
　　本文基于国家自然科学基金(21373173)，设计了一套基于转臂的通用角分辨光谱测量系统，并研究了其相关关键技术。本文主要研究工作如下:
　　1.分析了角分辨光谱测量系统的光路结构，主要由光源、发射光学系统、接收光学系统和光谱仪四部分组成;对元器件进行了选型及设计，并对光路耦合效率进行了分析。
　　2.分析了角分辨光谱测量系统的机械结构，主要包括传动机构、回转机构、转臂模块和样品台等;对各部零件进行了选型、设计、加工，并选择了合适的加工工艺;仪器装配和校正后的结果表明仪器精度满足实验需求。
　　3.分析了角分辨光谱测量系统的软件结构，将软件分为三个子系统，包括光谱仪子系统、运动控制子系统和人机界面子系统;划分了每个子系统的功能模块，设计了每个模块的运行流程;在VS2010平台上，用C＃语言编程实现了仪器控制软件。
　　4.分析了基于光栅方程和成像原理的公式标定方法，利用非线性曲线拟合求解公式参数，对光谱仪器进行波长标定;标定后均值误差为0.043nm，标准差为0.0225nm;提出了一种基于反向传播神经网络的光谱仪波长标定方法，该方法以中心波长和像素位置作为网络输入向量，输出即为经标定的光谱波长。标定的均值误差下降至0.0191nm，标准差下降至0.011nm
　　5.运用上述系统对一维金属光栅进行角分辨光谱测量，实验结果中等离子体共振(SPR)吸收峰位置与仿真结果一致，表明建立的角分辨光谱测量系统是有效可靠;系统也可应用于二维金属纳米结构的角分辨光谱测量。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 背景和意义

1．1．1 引言

1．1．2 表面等离子体基本特性

1．1．3 表面等离子体激发

1．2 国内外研究现状

1．2．1 表面等离子体的应用及研究现状

1．2．2 角分辨光谱仪器研究现状

1．3 本文主要研究内容

第二章 角分辨光谱测量系统总体方案设计

2．1 角分辨光谱测量系统研制要求达到的技术指标

2．2 角分辨光谱测量系统设计流程图

2．3 角分辨光谱测量系统研制的关键技术

2．4 本章小结

第三章 角分辨光谱测量系统硬件设计

3．1 光学系统设计

3．1．1 光学系统构成

3．1．2 光学元件选型

3．1．3 光路耦合性分析

3．2 机械结构设计

3．2．1 总体设计

3．2．2 机构设计

3．2．3 各零件装配与校正

3．3 本章小结

第四章 角分辨光谱测量系统软件设计与实现

4．1 软件设计

4．1．1 概要设计

4．1．2 子系统详细设计

4．2 软件实现

4．2．1 开发环境和语言选择

4．2．2 软件编写

4．3 本章小结

第五章 光谱仪标定及角分辨光谱测试与应用

5．1 光谱仪标定

5．1．1 光谱仪标定原理

5．1．2 基于公式标定方法

5．1．3 基于BP神经网络的波长标定方法

5．1．4 公式标定与BP神经网络标定结果对比

5．2 角分辨光谱测量系统测试与应用

5．2．1 一维金属光栅的角分辨光谱实验

5．2．2 二维周期性金属纳米结构的角分辨光谱测量

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的科研成果

致谢