金属薄膜厚度和光学常数测量及对称金属包覆波导振荡场传感器的研究

摘要

随着现代科学技术的发展，特别是生命科学、临床医学等新兴科学的发展，生物探测和传感所面临的挑战越来越大，对光学生物传感器的灵敏度要求也越来越高。在研究了传统的基于迅衰场探测的光学传感器的特点之后，我们提出了一种基于振荡场探测的对称金属包覆波导(SMCW)结构的传感器。与普通的介质光波导不同的是，SMCW采用金属薄膜作为波导的包覆层，金属薄膜的厚度和光学常数的测量也成为一个重要的课题。厚度在几十个纳米范围内的金属薄膜的厚度和光学常数通常采用衰减全反射(ATR)法进行测量。从表面等离子共振吸收峰的三个参数共振角θSPR，半峰宽Wθ和反射率最小值Rmin出发会得到两组关于金属薄膜光学常数与厚度的解。传统的测量方法认为，必须改变探测条件进行二次测量才能对这两组解进行验算，找出真解。我们利用扩展的ATR谱，即包括全反射(TIR)部分的ATR谱，使用最基本的棱镜一金属薄膜结构，只用一次测量就可以完全定金属薄膜的厚度和光学常数。其原理是引入一个新的参数—全反射时的反射率阶越变化△R，根据△R是金属薄膜厚度的敏感函数的性质，就可以确定所得到的两组解中的真解。 本研究基于SMCW的以上特点，提出了将样品注入到SMCW的波导层中，利用激发的超高阶导模进行测量，实现了振荡场光学传感器的构造。其特征是，处于波导层中的样品由功率较大振荡场进行探测；另外，作为探针的超高阶导模比普通波导中的低阶模具有更高的灵敏度。理论分析表明，与现有的光学迅衰场传感器相比， SMCW振荡场传感器的灵敏度有一到两个量级的提升。通过实验对SMCW传感器的性能作了验证。用不同浓度的NaCl水溶液作为样品，在采用角度调制法时达到了424°/IU的灵敏度和7.3×10-6RIU的分辨率；在采用强度调制法时，实现了0.88×10-6RIU的分辨率。在测量样品的吸收时，我们使用了亚甲蓝溶液作为样品，探测分辨率达到5×10-6，并且避免了亚甲蓝分子在波导表面的吸附效应所产生的影响。研究结果表明，SMCW振荡场光学传感器具有简单的结构和极高的灵敏度，在迅速发展的生物探测领域将有广阔的应用前景。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章综述

1.1金属薄膜光学常数和厚度测量的研究背景

1.2光学传感器的研究背景

1.3本论文的主要研究内容

参考文献

第二章金属的光学性质与表面等离子波

2.1金属的光学性质

2.1.1波在导体中的传播方程

2.1.2金属介电常数的初等电子理论

2.1.3金属薄膜的光学常数

2.2表面等离子共振(SPR)原理

2.2.1表面等离子波的存在条件

2.2.2损耗

2.2.3表面等离子波的激发

参考文献

第三章ATR技术测量金属薄膜光学常数与厚度的常用方法

3.1双波长SPR法

3.1.1表征表面等离子波的三个重要参数

3.1.2参数方程的解与数值拟合

3.2双介质SPR法

3.3双共振法

3.3.1长程表面等离子波

3.3.2长程表面等离子波的激发

3.3.3用SPW和修正LRSPW测量金属薄膜介电常数

参考文献

第四章扩展ATR谱测量金属薄膜的光学常数与厚度

4.1扩展ATR谱

4.2TIR台阶高度的理论推导

4.3扩展ATR谱测量的实验过程

4.3.1样品的制备

4.3.2测量装置

4.3.3扩展ATR谱测量方法

4.3.4扩展ATR谱实验结果

参考文献

第五章常用光学迅衰场传感器

5.1全反射传感器

5.1.1全反射传感器原理

5.1.2全反射传感器应用

5.2表面等离子共振传感器

5.2.1表面等离子波的场增强效应

5.2.2表面等离子共振传感器的原理

5.2.3表面等离子共振传感器的应用

5.2.4长程表面等离子共振传感器

5.3泄漏模波导传感器

5.3.1泄漏模波导传感器原理

5.3.2反对称波导传感器

参考文献

第六章对称金属包覆波导

6.1对称金属包覆波导模式分析

6.1.1 SMCW结构

6.1.2 SMCW的色散性质

6.2对称金属包覆波导中的自由空间耦合技术

6.3对称金属包覆波导的特点

6.3.1毫米尺度的SMCW与超高阶导模

6.3.2超高阶导模的偏振无关性

6.3.3超高阶导模对波导参数的灵敏性

6.4 SMCW的应用

6.4.1基于SMCW的梳状滤波器

6.4.2基SMCW的位移探测器

参考文献

第七章基于SMCW的振荡场传感器

7.1平板波导结构传感器的灵敏度分析

7.1.1三层平板波导结构

7.1.2波导传感器的灵敏度表达示

7.1.3有效折射率对传感器灵敏度的影响

7.1.4波导传感器中的场分布与振荡场传感器

7.2 SMCW传感器的设计

7.2.1传感器结构

7.2.2传感器的制作

7.3 SMCW振荡场传感器的性能

7.3.1各种传感器的灵敏度比较

7.3.2传感器的探测深度

7.4基于共振角测量的SMCW振荡场传感器实验验证

7.5基于光强测量的SMCW振荡场传感器实验验证

7.6 SMCW振荡场吸收传感器实验验证

参考文献

第八章总结及展望

致谢

攻读博士期间取得的科研成果