光学传感器文献综述.docVIP

档/a 本 科 生 毕 业 论 文 文献综述 姓名与学号 王浩3070011107 指导教师 牟颖 年级与专业 自动化（自动化0701） 所在学院 控制科学与工程学系 光学传感器随着现代科学技术的高速发展，人类社会已进入了信息时代，信息技术已渗透了国民经济和社会发展的各个领域和各个层次。人类的生产和生活越来越离不开信息技术的应用。传感器技术通信技术和计算机技术一起分别构成信息技术系统的“神经”和“大脑”，是现代信息产业的三大支柱之一。传感技术在国防、能源、工业、农业、环境监控、公共安全、生物医学以及家庭生活等领域都有广泛的应用前景。 光学传感器具有体积小、抗电磁干扰能力强、便于集成、可在线检测、安全性高等优点，在传感领域占有越来越重要的地位，其中共振光学传感器由于其灵敏度高、免标记、可实时检测等突出优点，在生命科学、药物开发、医学诊断、公共安全、环境污染等领域有广的应用前景，正逐渐成为际传感器领域的研究热点。本论文中主要共振和基于共振传感技术。 半无限大金属和电介质界面处SPs的色散关系如图1．1所示在z半空间为各项同性的电介质材料， 它的相对介电常数为正实数，用d表示；在z半空间为各项同性的金属，相对介电常数为复数，用表示，通常情况下 图1．1 半无限大金属电介质界面处SPs的激发 从图中可以看出SPs的色散曲线在真空中光线的色散曲线的右边，它们在同一频率下没有交点，因此它们之间不能直耦合，SPs必须通过波矢补偿才可被光激发。SPs色散关系可以完全描述SPs的光特性，是进行SPs相关研究的基本理论基础。 图1．2半无限大金属一电介质界面处SPs的色散关系 1.1.2表面等离子体子的激发方式 最初为了研究SPs，采用电子激发方式，但是对于小波矢的情况，由予电子束宽度的限制不能得到令人信服的实验结果。要实现光激发，从理论上讲需要对光波矢给予补偿，使其能够和SPs的波矢匹配。目前成功实现波矢补偿主要有两个渠道：利用光子隧道效应的衰减全反射(ATR)法(Kretschmann-Raether结构和Otto结构）和衍射补偿法[2]。 Kretschmanll-Raether结构适用于金属薄膜，如图1．3所示，入射光以大于全反射角的角度入射。波矢匹配方程如下： 沿金属与空气界面方向的光子波矢分量在特定的入射角度和特定的波长满足波矢匹配条件时，即可有效的激发SPs。利用光在棱镜下界面处发生全内反射时的衰逝波，可以激励金属与待测物表面的表面等离子体子波（SPW）。在入射角或波长为某一适当值的条件下，SPW与入射的TM光的频率和波数相等，二者将发生共振，入射光被吸收，使反射光能量急剧下降，在反射光谱上出现共振峰(即反射强度最低值)。 图1．3 Krestchmannn型表面等离子体子 1.2表面等离子体子共振传感器检测技术 从检测方式来看，SPR传感器可分为：角度检测、波长检测、强度检测和相位检测四种[4]： 1．角度检测的基本原理是固定入射光波长，通过扫描入射角度，追踪共振角(反射强度的最小值所对应入射焦)随外界折射率的变化。目前商用的SPR仪器大多采用发散角较大的可见或近红外LED作为光源，接收端用线阵CCD采集不同入射角度的反射光强，这样可以避免采用较为笨重的角度转动装置。 2．波长检测的基本原理是固定入射角度，以宽带光源入射，探测反射或者透射光谱的变化，获得共振波长随待测物折射率变化的关系。波长检测方式易于实现传感器的小型化和集成化，常应用于光纤SPR传感器及测量局域表面等离子共振消光谱。 3．强度检测的基本原理是固定入射光波长及入射角度(共振角附近)，检测反射光强随外界折射率的变化。这种方法的优点是系统结构比较简单，测量算法简便，实时性好，空间分辨率也高；但缺点是测量精度低，折射率测量范围较小，线性度不好，容易受到噪声影响。 4．相位检测的基本原理是固定入射光波长和角度，探测TM波在棱镜底面反射前后相位的变化。与其他检测方式相比，相位检测技术可以使SPR传感器灵敏度提高l-2个数量级。常见的相位检测方式有外差法、椭圆偏光法、相位剪切干涉法、M-Z干涉法测量和相位调制干涉测量法等。 1.3 SPR成像的基本原理 表面等离子体子共振成像技术(Surface plasmon resonance imaging，SPRi)也称为SPR显微方法( SPR microscopy)，其测定原理和 SPR 一样，只不过是测定面积扩大成二位平面而不是一个点或小区域，具体如图1.4所示：借助棱镜，将一束平行的TM偏振光(最常用单波长光)， 在一定角度下照射到组装了不同样品阵列的金属膜上，当入射角大于全反射临界角时，入射光会与金属膜上的自由电子共振而产生表面等离子体子共