基于迈克尔逊干涉仪的表面等离子体共振相位检测研究

摘要

表面等离子体共振(SPR)技术具有实时检测和无需标记的特性，因而被广泛应用到生化领域来检验分子的结合或是测量待测溶液的折射率。为了提高检测的灵敏度，研究重点开始转向表面等离子体共振的相位检测。相位检测系统的结构复杂，易受噪声的影响。为了抑制系统的噪声，开始将共光路的空间干涉法与相位检测相结合设计实验系统。本文以检测液体的折射率为目的，设计膜层结构激发SPR，搭建干涉型 SPR相位检测的实验系统，研究折射率变化与相位的关系。文章的主要研究内容包括：
　　改进传统的膜层结构，设计并加工制造新的样品槽 V形槽，将二者结合注入待测液体构成SPR的激发装置，这个装置具有易清洗，寿命长的特点。根据菲涅尔公式对多层膜结构的反射率和相位进行推导并给出推导式，得到多膜层结构的反射率和相位。然后以此为依据，模拟研究SPR角度检测和相位检测下的特征曲线。重点是研究金属膜种类和厚度、入射光源的波长和角度、待测溶液折射率等可变因素对其特征曲线的影响。研究表明 SPR发生时，P光反射光强会出现最小值，此时相位会发生剧烈的变化；上述的可变量都对特征曲线有影响。
　　以迈克尔逊干涉仪为基础，研究两个点源干涉的模型，模拟迭加光强的周期性变化；并以等倾干涉为理论模型，模拟光程差改变对干涉图样的影响。然后改进迈克尔逊干涉仪的实验光路并进行干涉实验，观察中心光斑的光强能量变化。此系统中利用分束棱镜来替代两个玻璃板，能有效地简化光路。通过使用压电陶瓷位移平台来控制光程的改变，实现系统的自动化。利用不同波长的光源对改进的实验系统进行检验，使测量的半周期值达到纳米量级。
　　搭建干涉型SPR相位检测实验系统，需要将角度检测和改进的迈克尔逊干涉光路相结合，并引入偏振分束棱镜得到偏振方向相互垂直的两束光。利用琼斯矩阵对实验系统进行理论分析验证了系统的正确性。然后利用此系统分别研究入射角度，溶液折射率与相位的关系。实验时需要利用角度检测检测出溶液的共振角，将 V形槽的位置设置在共振角附近，通过改变入射角度或是不同折射率的溶液，来观察相位的变化。最后的实验表明在共振角附近，入射角度，溶液折射率都与相位成线性关系。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 研究目的和意义

1.3 SPR相位检测研究现状

1.4 本文的主要研究内容

第2章 液体棱镜耦合结构下的SPR检测模拟

2.1 引言

2.2 液体棱镜耦合的基本理论

2.3 液体棱镜下SPR检测特征曲线模拟

2.4 本章小结

第3章 基于中心光斑能量实时探测的迈克尔逊干涉系统

3.1 引言

3.2 迈克尔逊干涉的理论

3.3 实时探测的迈克尔逊干涉实验系统

3.4 实时探测的迈克尔逊干涉系统的数据处理

3.5 本章小结

第4章 表面等离子体共振的干涉型相位检测

4.1 引言

4.2 SPR干涉型相位检测系统的琼斯矩阵理论分析

4.3 SPR干涉型相位检测实验系统的搭建

4.4 SPR干涉型相位检测的实验数据分析

4.5 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢