奇偶探测超分辨率折射率测量的理论研究

传统波动光学法测量样品折射率所采用的探测方法主要是强度探测和波长探测。波长的最佳检测器件为干涉型光谱仪,干涉型光谱仪是通过光功率计测量信号强度、分析条纹数目变化及所对应的光程差,进而计算出信号光波长,因此,其本质仍是以强度探测为基础的。然而,利用强度探测干涉信号,分辨率受经典衍射极限限制,很难得到进一步提升。为了解决这一瓶颈问题,本文提出利用奇偶探测突破经典分辨率的极限限制,实现超分辨率折射率测量。根据量子探测与估计理论,推导了奇偶探测和强度探测折射率测量信号及其灵敏度表达式,并进行了数值对比分析。同时,研究了损耗对系统输出信号分辨率和灵敏度的影响。数值结果表明:奇偶探测分辨率是强度探测的2π √N倍,实现了超分辨率折射率测量,最佳灵敏度达到了折射率测量散弹噪声极限λ/(2π/√N)损耗降低了信号的分辨率和灵敏度,除极大损耗和极低光子数外,奇偶探测信号分辨率始终优于强度探测。最后,从探测手段本身出发分析了奇偶探测超分辨率折射率测量的物理本质。

基于表面等离子体共振和双频激光干涉相位测量的空气折射率测量

设计了一种基于表面等离子体共振和相位检测的空气折射率实时测量系统,该系统采用双频激光外差干涉光路和具有角漂移自适应结构的表面等离子体共振传感器。理论分析表明测量光信号的p、s分量的相位差相对于参考光信号的变化与空气折射率近似呈线性关系,并由此得到测量公式,传感器的自适应结构将角漂移引起的误差降低了一个数量级并大幅提高了测量灵敏度。与Edlen公式的测量比对实验结果表明,在44.0°入射角(共振角附近)和0.1°的相位测量精度下,空气折射率的测量精度优于5×10-6。该测量系统还可为更高精度的空气折射率测量仪提供足够精确的初值。

基于相位测量的角漂移自适应结构表面等离子体共振气体折射率测量系统

提出了一种可抑制角漂移的表面等离子体传感器结构,并结合相位测量设计了相应的气体折射率测量系统。分析表明激光入射角、金膜厚度以及反射光p、s分量的相位差与气体折射率之间的固有非线性是影响相位响应度与折射率测量精度的主要因素。计算表明所提出的自适应结构将角漂移引起的误差降低了一个数量级并很大程度提高了测量灵敏度。同时分析设计了金膜厚度参数,并评估了反射光p、s分量的相位差与气体折射率之间固有非线性带来的误差。应用于空气折射率的测量比对实验显示其测量精度达到了10-6量级。