基于SPR原理的高精确度微位移传感器的研究

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1、分类号：密级：UDC：编号：理学硕士学位论文基于SPR原理的高精确度微位移传感器的研究硕士研究生：刘璐指导教师：刘志海教授学科、专业：光学论文主审人：张羽副教授哈尔滨工程大学2018年1月分类号：密级：UDC：编号：理学硕士学位论文基于SPR原理的高精确度微位移传感器的研究硕士研究生：刘璐指导教师：刘志海教授学位级别：理学硕士学科、专业：光学所在单位：理学院论文提交日期：2018年1月论文答辩日期：2018年3月学位授予单位：哈尔滨工程大学ClassifiedIndex:U.D.C:ADissertationfortheDegreeofM.Sci.ResearchonH

2、ighPrecisionMicro-displacementSensorBasedonSPRCandidate：LiuLuSupervisor：Prof.LiuZhihaiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofScienceSpeciality：OpticsDateofSubmission：January,2018DateofOralExamination：March,2018University：HarbinEngineeringUniversity哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人

3、独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者（签字）：日期：年月日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫

4、描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文（□在授予学位后即可□在授予学位12个月后□解密后）由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者（签字）：导师（签字）：日期：年月日年月日基于SPR原理的高精确度微位移传感器的研究摘要表面等离子体共振技术是依靠光与金属薄膜之间的相互作用来实现环境变量检测的一种新型技术。从20世纪70年代末，第一个棱镜型表面等离子体共振传感器模型的建立，到如今光纤型表面等离子体共振传感器如火如荼的

5、发展，前后短短不到五十年的时间，它的高灵敏度是推动其快速发展的一大原因。表面等离子体共振传感器通常用来检测折射率，在生物医学、制药行业、石油化工、环境监测等各领域有着很广泛的应用。尽管光纤表面等离子体共振传感器已经在折射率测量领域内做出了很大的成就，但在其它物理量测量领域还有待研究。本文针对这一问题，提出了基于表面等离子体共振的光纤微位移传感器，用来实现亚微米至微米量级的微小位移的检测，或将在一些高精密仪器中得以使用。本文在研究该光纤微位移传感器上，主要做了以下几点研究：1、能引起表面等离子共振传感器光谱变化的两个根本因素是折射率和入射角度，无疑位移和折射率之间的函数关

6、系很难建立，而位移和入射角度之间的函数关系则很容易建立。但在光纤表面等离子体共振传感器中，光纤中光的传播角度基本是杂乱无章的，与位移之间也没有明确的关系。为了解决这一问题，本文深入研究了渐变折射率多模光纤的光束传播性质，并得出了在渐变折射率多模光纤中，光束的传播轨迹与入射光的位置之间有着明确的函数关系，从而在光纤中建立起位移和入射角度之间的联系。2、基于第一点研究，本文通过熔融焊接渐变折射率多模光纤和塑料包层阶跃折射率多模光纤，并在后者表面镀制金膜加工出表面等离子体共振传感区，利用单模光纤控制入射光在渐变折射率多模光纤端面的入射位置，两者轴线之间的距离即为位移量，该位移

7、量会改变光束的传播轨迹从而改变光束的入射角，最终引起表面等离子体共振光谱的变化，因此实现微位移传感。3、为了提高位移灵敏度，在第二点研究的基础之上，改进了光纤位移传感器结构。通过端面研磨的方法将表面等离子体共振传感区加工在渐变折射率多模光纤上，从而有效地减少了光束发散进而提高了位移灵敏度，并改善了光谱质量。另外，在该结构中，还研究了光纤研磨角和外部介质折射率对位移灵敏度的影响，研究结果表明：增大光纤研磨角或者提高介质折射率都可以显著提高位移灵敏度。本文也研究了该位移传感器的温度噪声，在精确测量中，需要严格控制环境温度以减小测量误差。关键词