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共线光外差干涉系统赋能相位调制SPR传感技术的深度探究

一、引言

1.1研究背景

在现代光学测量与生物分子检测领域，光外差干涉技术与表面等离子体共振（SPR）传感技术占据着举足轻重的地位。光外差干涉技术自20世纪70年代从电通讯领域移植到光干涉测量领域后，凭借其独特优势迅速发展。它将两束频率存在微小差异的相干光进行干涉，使干涉条纹产生扫描，经光电探测器与电路处理后能精确检出相位差。这种技术有效克服了单频干涉仪的直流漂移难题，让信号细分变得更为容易，显著提升了抗干扰性能，在激光通信、雷达、测长、测速、测振以及光谱学等众多领域都发挥着关键作用。比如在精密测量领域，其高精度的测量能力满足了对微小位移、振动等参数精确检测的需求，为相关研究与生产提供了可靠的数据支持。

SPR传感技术是20世纪90年代兴起的一种生物分子检测技术，基于表面等离子体共振现象，对金属膜表面折射率变化极为敏感。当光束从光密介质射向光疏介质且入射角大于临界角时，会发生全反射并产生倏逝波，该波能透入光疏介质约一个波长深度。当特定偏振光以合适角度照射金属-介质界面时，倏逝波会激发金属表面自由电子形成表面等离子体波，若入射光参数满足波矢适配条件，就会引发共振。生物分子相互作用或化学反应导致金属表面附近介电常数改变时，会影响表面等离子体波传播，进而被检测到。由于具有免标记、精度高、灵敏度高以及实时无损伤检测等显著优点，SPR传感技术在生物医学、食品安全、环境监测等领域应用广泛。在生物医学领域，可用于疾病诊断，通过检测生物分子相互作用来判断疾病的发生与发展；在食品安全领域，能对食品中的污染物、病原体等进行检测，保障食品安全。

1.2研究目的与意义

本研究旨在深入剖析共线光外差干涉系统在相位调制SPR传感技术中的应用效果与价值。共线光外差干涉系统凭借其共线性和对称性，能极大降低外界环境噪声对测量精度的影响，提高检测精度，在光学生物传感领域应用广泛。相位调制SPR传感技术在众多SPR传感技术中灵敏度较高，受到广泛关注。将两者有机结合，有望进一步提升生物分子检测的灵敏度、稳定性和可靠性，为生物医学研究、临床诊断以及药物研发等提供更为精准、高效的检测手段。

从理论层面来看，研究共线光外差干涉系统在相位调制SPR传感技术中的应用，有助于深化对光外差干涉原理以及SPR传感机制的理解，丰富和完善光学检测理论体系，为后续相关技术的创新与发展夯实理论根基。在实际应用方面，随着生物医学等领域对生物分子检测精度和效率的要求不断攀升，开发高性能的检测技术迫在眉睫。本研究成果有望为新型生物传感器的设计与开发提供新思路和技术支撑，推动生物分子检测技术朝着更精准、更快速、更便捷的方向发展，从而在疾病早期诊断、药物筛选优化等实际应用中发挥重要作用，具有重大的现实意义和应用价值。

1.3国内外研究现状

国外对共线光外差干涉系统和相位调制SPR传感技术的研究起步较早，取得了一系列丰硕成果。在共线光外差干涉系统方面，科研人员不断优化系统结构与性能，提升其检测精度和稳定性。通过改进声光调制器的设计与应用，有效避免了衍射级次混叠和频移漂移等问题，提高了系统的可靠性。在相位调制SPR传感技术领域，国外学者深入研究了多种相位检测方法，如外差干涉法、空间干涉法、剪切干涉测量法、SPRMachzehnder干涉仪法和椭圆偏振法等，并将这些技术广泛应用于生物分子相互作用研究、疾病诊断、环境监测等实际场景中。

国内相关研究近年来也发展迅速。在共线外差干涉系统研究上，众多科研团队在系统搭建、信号处理以及应用拓展等方面取得了显著进展。通过实验研究不同因素对系统性能的影响，提出了针对性的优化措施，为系统的实际应用提供了有力支持。对于相位调制SPR传感技术，国内学者在传感信号提取、测量方法改进以及生物分子检测应用等方面进行了深入探索，开发出了一系列具有自主知识产权的新型SPR传感器，部分研究成果已达到国际先进水平。

然而，当前研究仍存在一些不足之处。一方面，共线光外差干涉系统与相位调制SPR传感技术的融合还不够深入，在系统集成、信号协同处理等方面还存在诸多问题有待解决，限制了整体性能的进一步提升。另一方面，在复杂环境下，该检测系统的稳定性和抗干扰能力仍需加强，以满足实际应用中对检测精度和可靠性的严格要求。此外，现有的检测技术在检测灵敏度和动态范围等方面还存在一定的局限性，难以满足一些对生物分子检测要求极高的特殊场景需求。

1.4研究方法与创新点

本研究采用理论分析、实验研究和数值模拟相结合的综合研究方法。在理论分析方面，深入研究共线光外差干涉系统的基本构成、结构原理、干涉原理以及相位调制SPR传感技术的工作原理，为后续研究提供坚实的理论基础。通过对