表面等离子体共振技术的一些新应用

介绍了表面等离子体共振技术在表面等离子体共振传感器、扫描近场光学显微技术、薄膜光学和膜厚测量、全息成像技术、Q开关、精密角度测量等领域的新应用.     

基于分光计的表面等离子体共振实验

在分光计的基础上,利用激光二极管作为光源,自制硅光电池放大电路作为检测元件,自行组装了角度指示型表面等离子体共振传感器综合实验装置.使用该装置可以在分光计上观察表面等离子体共振现象,测量电解质折射率与共振角的关系.     

基于多头读数布局的圆光栅自校准方法研究

针对测角系统在线校准问题,提出了一种基于多读数头布局的自校准方法。通过多组传感器的测量数据,利用圆封闭原则和傅里叶级数的性质,建立测量值与误差之间的函数关系,并基于多读数头布局原理,对自校准读数头布局进行优化,以提高校准方法对误差的抑制能力,实现单读数头测角传感器的自校准。设计了单轴转台,搭建了自校准测角系统,并进行了实验验证。实验结果表明:测角系统采用自校准方法后,单读数头测角传感器的测角误差为6.10″,在相同的测量环境下,其校准精度接近借助外部参考标准的传统谐波标定方法。自校准方法可有效抑制测角误差,显著提高测量精度。     

角度型表面等离子体振荡传感器测量精度提高的新方法

设计了一种基于棱镜的角度型表面等离子体振荡自动测量系统,建立了共轴双旋转台的机械结构,提出了新型扫描的角度测量法,得到表面等离子体振荡谐振曲线。研究了影响系统多次测量一致性的因素,提出了减少采样点、提高单点数据采集次数,并采用三级变步长的测量方法,测量时间缩短至小于原来的1/10,使系统测量精度从1E 4折射率单位提高到了4E-5折射率单位。     

基于机器视觉的雷达测角精度评估系统

利用光学成像原理,设计了基于机器视觉的雷达测角精度评估系统,主要包括光学部分(CCD相机)、图像采集部分和图像处理与目标角度信息提取部分等;机器视觉的定位成像和高精度测角,保证了该系统能在紧缩场中对雷达系统进行自动化、高精度、实时的角度测量校准和测量精度评估试验;理论分析和仿真结果表明,补偿由于雷达系统和机器视觉系统安装位置不同引起的角度测量偏差后,在正常的实验测量误差条件下,基于机器视觉的角度测量校准和评估系统能达到0.005°的校准和评估精度。     

光电子技术与器件 光学传感、传感器

TP212.1 2006032415采用虚拟仪器技术的表面等离子体共振传感器=Surfaceplasmon resonance sensor with virtual instrument tech-niques[刊,中]/张峰(暨南大学光电工程研究所.广东,广州(510632)) ,钟金钢∥光电工程.—2006 ,33(1) .—132-136针对表面等离子体共振(SPR)传感器对精度和数据处理能力的要求,利用虚拟仪器技术,设计了一套基于角度扫描的Kretschmann结构SPR测试系统。系统采用了高精度步进电机控制的旋转平台。软件中使用巴特沃思低通滤波器消除出射光干涉噪声引起的高频干涉。同时,提出了一种双棱镜自适应结构对出射光路进…     

表面等离子共振效应中传统近似理论与薄膜光学理论

指出Kretschmann模型的传统表面等离子共振公式在求解金属薄膜的参量时存在近似性,采用更为严密的薄膜光学理论,通过薄膜膜系的特征矩阵,得出表面等离子体共振衰减曲线.结果表明,表面等离子体共振近似理论与薄膜光学理论得到的共振角及反射率幅度存在差别;采用等高线图,给出了共振角差随着金属介电常量的变化规律.进一步的实验表明,薄膜光学理论所得模拟结果较表面等离子体共振近似理论与实验值吻合地更好,证明薄膜光学理论应用在表面等离子体共振效应要优于常用的近似理论.最后,采用两种理论对表面等离子体共振传感器进行优化设计,结果表明,两种理论所获得的高灵敏度分布区域差异较大,必须采用薄膜光学理论提供更精确的薄膜参量,来优化设计高灵敏度表面等离子体共振传感器.     

表面等离子共振效应中传统近似理论与薄膜光学理论

指出Kretschmann模型的传统表面等离子共振公式在求解金属薄膜的参量时存在近似性,采用更为严密的薄膜光学理论,通过薄膜膜系的特征矩阵,得出表面等离子体共振衰减曲线.结果表明,表面等离子体共振近似理论与薄膜光学理论得到的共振角及反射率幅度存在差别;采用等高线图,给出了共振角差随着金属介电常量的变化规律.进一步的实验表明,薄膜光学理论所得模拟结果较表面等离子体共振近似理论与实验值吻合地更好,证明薄膜光学理论应用在表面等离子体共振效应要优于常用的近似理论.最后,采用两种理论对表面等离子体共振传感器进行优化设计,结果表明,两种理论所获得的高灵敏度分布区域差异较大,必须采用薄膜光学理论提供更精确的薄膜参量,来优化设计高灵敏度表面等离子体共振传感器.     

微孔光纤表面等离子体共振传感特性分析

设计了纤芯周围具有6个大空气孔的微孔光纤用于表面等离子体共振(SPR)传感器.利用有限元方法研究金属膜厚、微孔间距、微孔尺寸及外界环境折射率对表面等离子体共振峰所处波长的影响及传感器的灵敏度.结果显示,金属膜厚及外界环境折射率对共振峰的位置都比较敏感,而空气孔的直径和孔间距在小范围变化时谐振峰的位置基本保持不变.该传感...     

等离子体共振光纤光栅生物传感器综述

等离子体共振传感技术是当今实用化最强、最有可能实现单分子检测的生物医学检测技术之一。高灵敏度的等离子体共振传感技术与细如发丝的光纤载体相结合,为现代生物传感研究提供了一种可实现在体原位检测的全新方法。系统介绍了基于光纤光栅的等离子体共振生物医学传感机理与关键技术,通过能量汇聚的表面共振场实现了10~(-6)~10~(-8) RIU的超高精度折射率测量,为生物医学提供了超低检出限(pM~fM量级)、特异性及原位实时检测新方法。此外,此类传感器还可提供绝对式/相对式多参量同时检测手段,能有效消除环境干扰影响,确保传感器的稳定性和可靠性。最后,回顾了近些年等离子体共振光纤光栅生物医学传感领域取得的研究进展(包括蛋白、血糖、微生物、气体等样本原位检测),并进行总结和展望。     

切线位移法测量微小角度偏转

叙述了将光电传感器的光轴相对固联于地理坐标系的转轴作切线运动并利用其切线位移模拟小角度偏转的方法。根据两轴初始零位对准值及切线位移量,由光电传感器的输出和所对应的角度偏移关系,获取光电传感器光轴的微小角度偏转量。该方法是一种简单有效的小角度偏移光电检测方法,可实现对微小角度偏移量的精密测量和实时读取,角度测量范围:±15°;测角精度:1″。     

Angle extended linear MEMS scanning system for 3D laser vision sensor

Scanning system is often considered as the most important part for 3D laser vision sensor. In this paper, we propose a method for the optical system design of angle extended linear MEMS scanning system, which has features of huge scanning degree, small beam divergence angle and small spot size for 3D laser vision sensor. The principle of design and theoretical formulas are derived strictly. With the help of software ZEMAX, a linear scanning optical system based on MEMS has been designed. Results show that the designed system can extend scanning angle from ±8° to ±26.5° with a divergence angle small than 3.5 mr, and the spot size is reduced for 4.545 times.     

红外地平仪地球模拟器光学校准精度分析

针对适用于双圆锥扫描红外地平仪地面检测体积相对较大的地球模拟器,使用两台电子经纬仪建立三维坐标测量系统,采用全测角的方法计算并实时显示被测点的三维坐标值,可以大大提高光学校准精度。基于坐标值的计算以及地球模拟器的模拟原理,首先对地球模拟器进行精密校准,然后基于误差传递公式计算直角坐标的校准测试误差,对光学校准精度进行分析,最终实现红外地球敏感器姿态角测量的误差分析。计算与实际测量结果表明,通过使用实时三维测量系统对地球模拟器进行精密校准后,双圆锥扫描红外地平仪的姿态角模拟测试误差可降低到0.01°以下。验证了该测量系统在大型航天地面检测设备中的有效性与实用性。     

表面等离子体波传感器角度敏感特性的研究

研究了表面等离子体波共振(SPR)光谱对入射光角度变化的敏感特性,提出了对共振波长和共振强度进行双参数检测的方法。理论分析和实验表明,共振波长和共振强度同时对入射角度的微小改变非常敏感,且相互之间具有良好的对应关系。通过选择合适的棱镜、金属薄膜、调制层等结构参数,能有效地调整角度敏感的范围和灵敏度。     

内置调制层型光纤表面等离子体波共振传感器研究

研究了一种基于内置调制层结构的光纤表面等离子体波共振(SPR)传感器。通过在金膜与纤芯的内侧增覆具有不同厚度和属性的光学透明薄膜作为内调制层,构成了性能独特的光电复合薄膜,起到调节倏逝波矢量和金膜表面等离子体振荡波矢量的双重作用,进而控制共振效应,为调节灵敏度提供依据。采用时域有限差分方法对内置调制层结构光纤SPR共振激励模型属性进行数值仿真。在此基础上,研制了用于液体折射率测量的内置调制层型光纤SPR传感探针。实验结果表明,该传感器在1.335～1.392折射率范围内,随着待测液体折射率的增大,SPR共振光谱向长波方向偏移,且灵敏度达到2263.1nm/RIU,与基于纤芯-金膜-环境介质三层结构的常规光纤SPR传感器相比提高一倍,能够更好地满足环境折射率检测的需求。     

Measurement of air refractive index based on surface plasmon resonance and phase detection

A method for refractive index of air measurement is presented based on surface plasmon resonance (SPR) and phase detection using a dual-frequency laser interferometer. Theoretical analyses indicate that the phase-difference variation of the measurement signal versus the reference signal is linear with refractive index of air (RIA) fluctuation, and the calculation formula of RIA is derived. The structure design of the self-adaptive SPR sensor greatly reduces the measurement error resulting from the incident angle shift and improves the sensitivity. The experiments show that measurement uncertainty of 10(-6) order has been achieved when phase detection precision is 0.1°. The phenomenon of sudden phase variation during air pumping and air filling, which is caused by temperature fluctuation, is discussed.     

纳弧度分辨力角位移传感器及平均灵敏度标定

给出了基于六次临界反射棱镜的精密角位移传感器,采用的是差动式结构。实验结果表明,传感器灵敏度高,量程为500μrad,具有5nrad的分辨力。提出了适合于小量程角位移传感器的平均灵敏度的标定方法,可以快速标定平均灵敏度,降低标定过程中标定系统及传感器自身漂移对标定精度的影响。     

基于Au/ITO纳米复合材料的自参照SPR传感器

利用Au/ITO纳米复合材料设计了一种自参照表面等离子体共振传感器.该传感器产生的光谱有两个共振峰,即共振峰1和共振峰2.共振峰1随着待测介质折射率和入射角的变化产生漂移,而共振峰2仅随入射角的变化产生漂移,两个共振峰相互参照,降低了入射角偏移对测量结果的影响,提高了测量的准确性.在纳米复合材料的4种不同体积分数下,仿真分析了入射角、待测介质折射率和薄膜厚度变化对两个共振波长的影响.在入射角θ为80°,且金的体积分数f为0.65,薄膜厚度d为40nm和45nm,或金的体积分数f为0.85,薄膜厚度d为45nm和50nm时,共振峰2不随待测介质折射率的变化而变化,只有共振峰1随待测介质折射率的变化而变化,达到自参照传感器的理想状态.     

红外地球敏感器扫描镜摆角激光动态测试方法

为解决扫描镜摆角实时动态非接触测量问题,基于激光检测技术和CCD探测技术,提出一种红外地球敏感器扫描镜摆角激光动态测试方法,并研制了扫描镜摆角动态测试系统,其可实现扫描镜的摆动频率、零位角、幅值、峰峰值平均等参量的动静态激光非接触测量。介绍了系统的组成和总体结构,着重对扫描镜摆角动态测量理论和大视场、大相对孔径特殊线性扫描光学系统的设计方法进行了分析与探讨,通过建立系统的数学模型,解决了测量数据误差修正与图形处理问题。对测量系统的精度进行了验证,结果表明系统的摆角测量范围为0~±12°,分辨力为0.01°,动静态测量精度优于±0.04°。     

High-Sensitivity Sensor Based on Surface Plasmon Resonance Enhanced Lateral Optical Beam Displacements

We present a new optical sensor based on surface plasmon resonance （SPIt） enhanced lateral optical beam displacements. Compared with the traditional SPIt methods, the new method provides higher sensitivity to the sensor system. Theoretical simulations show that the refractive index （RI） detection sensitivity of the SPR sensor based on the displacement measurement has a strong dependence on the thickness of the metal film. When the optimal thickness of the metal film is selected, the RI resolutlon of the SPIt sensor is predicted to be 2.2 × 10^-7 refractive index units （RIU）. Furthermore, it is found that the incidence angle can be used as a parameter to adjust the operating range of the sensor to different refractive index ranges.