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拉曼散射效应是由于介质分子本身的振动或转动造成入射光子与介质分子之间发生能量交换,使散射后的散射光频率发生改变。和红外光谱一样,它属于分子振动光谱,可反映介质分子本身的结构、价键、振动能级、转动能级等特性。拉曼散射效应在通常情况下非常微弱,在实际应用中,需要运用某种形式的增强技术。本论文通过理论分析和实验测量,研究一种基于单模光纤熔融拉伸双锥区表面光纤渐逝波拉曼传感测量技术。
本论文的第一章首先简要介绍了课题研究的目的和意义。然后回顾了拉曼效应和拉曼光谱技术的发现、发展和应用。最后简要概述了本论文的主要研究内容。
本论文的第二章首先简要介绍了介质中光的各种散射的定义、成因、分类及性质。随后,着重介绍了拉曼散射的物理机理:产生斯托克斯光(Stokes)和反斯托克斯光(Anti-Stokes)的物理过程,拉曼散射光谱的特点和拉曼散射的两种理论解释-古典理论和量子理论。其次,回顾总结了表面增强拉曼散射(Surface-Enhanced Raman Scattering,SERS)的发展历史和SERS效应主要的实验现象和物理本质。最后,着重介绍了SERS两种增强机理-电磁场增强机理和化学增强机理。
本论文的第三章着重介绍了对于光纤渐逝波传感器理论模型仿真的结果。首先,简要介绍了光纤渐逝波的原理,渐逝波产生的物理机理,给出了光在光纤纤芯与包层界面处透射深度的计算解析式,这为SERS光纤拉曼传感的研究奠定了理论和实验基础。对于光纤渐逝波传感器的理论建模分两部分来表述:射线追踪法和波动方程的数值解法。对于射线追踪法,分别给出了常规单模光纤和熔融双锥光纤在不同的结构参数下透射深度的变化曲线,同时,还给出了其传输损耗的分析计算结果。对于波动方程的数值解法,重点介绍其求解的过程,给出了二层和三层同轴光纤模型的数值计算结果以及传输场的三维场分布。
本论文的第四章首先简要介绍了新型SERS活性基底的分类。随后以金属溶胶法制作出SERS的活性基底,以若丹明(R6G)溶液为表面增强拉曼散射的检测分子,详细介绍了银溶胶溶液的配制过程、溶液属性标定等。给出了R6G、银溶胶及其混合溶液的分析吸收光谱。
本论文的第五章分别以Renishaw plc共焦显微拉曼光谱测试系统和ANDOR SR-3031-B光纤显微拉曼光谱测试系统,测试并成功地获得了R6G分子的拉曼光谱。进一步将银溶胶固化在不同结构类型的光纤表面,同样获得了R6G分子的拉曼光谱图。实验结果表明:熔融拉锥光纤与SERS结合以实现光纤SERS是完全可行的。
本论文的第六章为总结和展望。简要总结了本论文的主要研究工作和创新之处,并对课题研究过程中,所存在的问题和一些不足之处,提出了迸一步的解决方法和改进措施。