基于光波导的高灵敏光谱检测技术研究及仪器设计

发布时间：2023-06-15 18:21

　　光谱分析是研究物质特性和组分的重要分析技术,在各个领域有着应用广泛。本文对高灵敏光谱测量与物质分析检测中的理论、关键技术和仪器设计等问题进行探讨和研究。研究的目标是探寻基于光波导的高灵敏光谱检测方法,实现微量物质的灵敏检测。本文充分利用了光波导的各种特性,实现了高灵敏的光谱检测方法和高性能的光谱仪器,这包括:利用双面金属包覆波导的场增强效应实现了微弱光信号的增强;利用双面金属包覆波导的衰减全反射(ATR)曲线对结构的灵敏响应实现了物质的痕量检测;利用双面金属包覆波导的波长选择特性实现高精度的快速波长定标;利用光波导结构的色散特性实现高分辨的微型光谱仪。为了辅助测量,还搭建了一种大数值孔径的高光通量的折叠透射式光谱仪。本文的主要工作包括如下:(1)探讨了利用双面金属包覆波导实现对微弱信号光增强的可行性。理论分析了金属包覆波导的电磁场增强的机理,包括金属包覆平板光波导结构在导模激发时使激发光在其导波层产生共振,形成对激发场的增强,以及点光源辐射在光波导结构中的辐射场增强。对这两个过程进行了理论推导并根据该理论模拟计算了平行光入射时波导中的场强分布,和点光源置于导波层中时的场强分布。模拟和计...

【文章页数】：138 页

【学位级别】：博士

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摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 本文研究目标
    1.2 高灵敏的光谱检测方法
        1.2.1 增大样品与光的相互作用距离的高灵敏度检测方法
        1.2.2 表面增强方法
        1.2.3 共振增强方法
    1.3 高性能的光谱仪器研究现状
        1.3.1 通过对波长定标方法的改善提高光谱仪的波长准确性
        1.3.2 提高光谱仪的分辨率
        1.3.3 提高光谱仪的光通量
    1.4 光波导技术
    1.5 论文主要研究内容
第二章 利用光波导结构实现微弱光信号增强的模拟分析与实验研究
    2.1 双面金属包覆波导中激发场增强的模拟分析
    2.2 双面金属包覆波导中点光源辐射场增强的模拟分析
    2.3 波导结构中光的定向出射的模拟分析
    2.4 拉曼散射增强的实验与分析
        2.4.1 实验装置及样品
        2.4.2 实验过程
        2.4.3 实验结果与分析
    2.5 金属耦合层表面粗糙度对信号增强的影响
    2.6 本章小结
第三章 基于双面金属包覆波导和吸收光度法的高灵敏度浓度检测方法
    3.1 测量原理和灵敏度分析
    3.2 实验装置及ATR测试平台的搭建
        3.2.1 HCMW传感器芯片设计
        3.2.2 光路设计
        3.2.3 硬件设计
        3.2.4 软件设计
    3.3基于双面金属包覆波导的物质浓度测量实验
        3.3.1 葡萄糖溶液浓度测量实验
        3.3.2 无机磷溶液浓度测量实验
        3.3.3 六价铬溶液浓度测量实验
    3.4 本章小结
第四章 基于双面金属包覆波导的快速高精度波长定标方法
    4.1 利用光波导实现波长定标的基本原理
    4.2 光波导定标器设计及分析
    4.3 波长定标方法的实验验证及结果分析
        4.3.1 直接定标法
        4.3.2 自校准定标法
    4.4 本章小结
第五章 基于光波导的微型高分辨率光谱仪设计
    5.1 光路原理说明
    5.2 光路设计
        5.2.1 光谱范围分析
        5.2.2 法布里珀罗腔结构参数设计
        5.2.3 反射镜和法布里珀罗腔膜层设计
    5.3 整机光路设计
    5.4 光谱仪定标方法
    5.5 本章小结
第六章 高光通量光谱仪设计与测试
    6.1 大数值孔径透射光路系统的拉曼光谱仪设计
        6.1.1 基本光路设计
        6.1.2 物镜设计
        6.1.3 性能分析测试
    6.2 光谱仪的软硬件设计
        6.2.1 应用于拉曼探测的自动对焦算法设计
        6.2.2 光谱仪的硬件设计
        6.2.3 光谱仪的软件设计
    6.3 本章小结
第七章 结论与展望
    7.1 论文工作总结
    7.2 后续研究工作
附录1：二阶散射场的推导
参考文献
致谢
攻读博士学位期间发表的论文及专利



本文编号：3833465