雙波長(zhǎng)強(qiáng)度調(diào)制的表面等離子體共振傳感器的設(shè)計(jì)和仿真

1、基于雙波長(zhǎng)強(qiáng)度調(diào)制的外表等離子體共振傳感器的設(shè)計(jì)與仿真Yan Huang, Hong-an Ye, Lai-xu Gao, Song-quan Li,Feng Liang, Qian Yang, Bai Yang摘要：在本章中，我們提出 Kretschmann棱鏡耦合表而等離子體共振 SPR傳感器基于雙波長(zhǎng) 的強(qiáng)度調(diào)制。為了研究傳感器的傳感特性，通過(guò)光纖濾波器兩種波長(zhǎng)，我們選擇從放大自發(fā)輻射ASE約1550nm波長(zhǎng)的光源。通過(guò)使用 MATLAB建模程序，不同入射角已 被用來(lái)模擬不 同氣體的折射率擬合曲線的反射差異?；陔p波長(zhǎng)的強(qiáng)度調(diào)制SPR傳感器是 一種新的傳感器，通過(guò)改變?nèi)肷浣?，它可以有效?/p>

2、擴(kuò)大測(cè)量范囤，可以檢測(cè)更多的樣品。這種類(lèi)型的SPR傳感器在未來(lái)將有各種應(yīng)用。關(guān)鍵詞：表而等離子體共振SPR ；傳感器：雙波長(zhǎng)；強(qiáng)度調(diào)制一、介紹反常衍射光柵，由于激發(fā)外表等離子體波SPW的現(xiàn)象Wood在1902年首次描述。Stern和Ferrell提供的這種模式的共振條件，所描述的“外表等離子體共振的概念“SPR,在1960年第一次被提出。Kretschmann和Otto在1968年證明了光激發(fā)表而等離子體SP的衰減全反射ATR的方法。Nylander和Leidbcrg在1982年演示了如何使用 SPR的氣體 檢測(cè)和生物傳感。 此后， SPR 傳感器激發(fā)的廣泛關(guān)注，在遙感應(yīng)用領(lǐng)域，如物理檢測(cè)，生

3、 物醫(yī)藥，化學(xué)分析，環(huán) 境監(jiān)測(cè)等。 SPR 傳感器有許多優(yōu)點(diǎn)，如響應(yīng)速度快，體積小，抗磁 場(chǎng)干擾。此外它的標(biāo)簽是免 費(fèi)的，而且可以用光纖連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和在線監(jiān)測(cè)等。SPR是一種物理光學(xué)現(xiàn)象。激發(fā)表而等離子體，這是由自由電子在金屬薄膜的表而，引起可以實(shí)現(xiàn)用漸逝波全內(nèi)反射TIR創(chuàng)立一個(gè)P-偏振波。發(fā)生共振，當(dāng)入射角或波長(zhǎng) 是一個(gè)適當(dāng)?shù)闹迪嗟取PW波向雖:等于漸逝波矢量的切向分量時(shí)，將被吸收，入射光和反射光的能量將大幅下降。此外，共振浸，即，最小反射光的強(qiáng)度將出現(xiàn)在反射光譜。SPR是在位于旁邊的金屬薄膜介質(zhì)的折射率的變化非常敏感。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)的折射率改變，共振浸會(huì)被改變。SPR傳感器可分為棱

4、鏡耦合器，光柵耦合器，光纖耦合器，根據(jù)不同的光學(xué)耦合方法。最常見(jiàn)的方法來(lái)激發(fā)外表等離子體是由棱鏡耦合傳感器基于ATR的方法手段。ATR的方法有兩種配置:krestchma nn幾何和奧托幾何。基于哪些特點(diǎn)SPR傳感器測(cè)量光波與外表等離 子體相互作用，可以列為角度，波長(zhǎng)，強(qiáng)度，相位，偏振調(diào)制。目前，基于強(qiáng)度調(diào)制SPR傳感器普遍和廣泛使用，但他們往往需要獲得一個(gè) P為振波的入射光，他們都非常敏感，任何光源強(qiáng)度波動(dòng)。因此，傳統(tǒng)的強(qiáng)度調(diào)制SPR傳感器儀器復(fù)雜，光源必須是髙品質(zhì)和穩(wěn)立性。為了克服這些負(fù)面因素，我們提出了一個(gè)新概念的根底 Krestchmann棱鏡耦合SPR傳感器通過(guò)使用 MATLAB理論

5、模擬雙波 長(zhǎng)檢測(cè)技術(shù)。在這一章中，這是一個(gè)傳統(tǒng)的強(qiáng)度調(diào)制稍作修改技術(shù)。一個(gè)四層Kretschmann的配置SPR傳感器如圖1。根據(jù)菲涅耳的方程，從這個(gè) p偏振光 的反射率R實(shí)驗(yàn)裝置，可表示為:?P -黑+臨嚴(yán)皿仃2341+圧也嚴(yán)皿(1)_3yGf 1 Pt SFYlLayer 2 CfircmiuTT圖1Kretsch mann 棱 鏡原理圧4代表從介質(zhì)2至4反射的反射系數(shù)，/是在i和j媒介之間的邊界反射系數(shù)(i, j=l, 2, 3, 4) d2和d3代表厚度的介質(zhì)2 (鋸)和3 (金)，分別。kzij是中等我(j)波矢在z方向的分呈:。凡np n2, ns, n4 的值，珞，黃金和棱鏡的折

6、射率被測(cè)介質(zhì)和k°是真空中的 波矢和0是入射角接口上。三種調(diào)制方法已在SPR傳感最常用的：角度調(diào)制，波長(zhǎng)調(diào)制和強(qiáng)度調(diào)制。目前，強(qiáng)度調(diào)制是最簡(jiǎn)單的方法，這是基于測(cè)量入射光波之間的耦合強(qiáng)度和表而等離子體在一個(gè)單一的發(fā)病率和波長(zhǎng)，光波的強(qiáng)度作為一個(gè)傳感器的輸岀。Krestchmann棱鏡耦合SPR傳感器的一個(gè)新概念雙波長(zhǎng)檢測(cè)技術(shù)的根底上，建議在這一章，這是選擇一個(gè)輕微修改了傳統(tǒng)的強(qiáng)度調(diào)制techniqueo Wc放大自發(fā)輻射(ASE)光源，并使用兩個(gè)光纖濾波器選擇兩種波長(zhǎng)的事件燈(他們的能量幾乎是相同的)，在兩種不同波長(zhǎng)的反射光的強(qiáng)度是衡量探測(cè)器。R1和R2的兩朿光的反射率可以表示為：&a

7、mp; =人/人(5)/?2 = ?2 / A) (6 )這里b為入射光強(qiáng)度，h和【2表示兩個(gè)強(qiáng)度反射燈，分別從式 5和6,我們可以得到不同R1和R2之間的反射：A/? = R、_Rr =A-=* .-人 /(>傳感器的靈敏度是傳感器輸岀的變化在變化中的比例的被測(cè)。SPR傳感器是非常敏感的折射率變化位于介質(zhì)旁邊的金屬薄膜。因此，在SPR傳感器分光強(qiáng)度調(diào)制，傳感器的輸出被定義為差異這兩個(gè)反射強(qiáng)度這是成正比的反射，被測(cè)分析物的折射率，因此儀器的奉獻(xiàn)傳感器靈敏度S可以寫(xiě)為R/N :S = d 比邑8A/i nx _ n2三、實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)在本章中，我們?cè)O(shè)汁了自制的實(shí)驗(yàn)裝苣在 Kretschma

8、nn配置，為了實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)的強(qiáng)度調(diào) 制。 根本設(shè)汁平臺(tái)的SPR儀器如圖2。K9玻璃幻燈片5=加上的K9 semicylinder棱鏡的 使用折射率 匹配液5=這將有效地使幻燈片棱鏡的一個(gè)組成局部。用于SPR測(cè)量，薄膜 必須沉積在K9玻璃幻燈片，包括一個(gè) 50納米的黃金電影初步蒸發(fā)后的賂2 nm的閃 蒸粘附的目的。我們選擇ASE光源，并使用兩個(gè)光纖濾波器選擇1540 nm和1, 560戰(zhàn)略石 油儲(chǔ)藏的測(cè)量納米。任另一邊，強(qiáng)度分別由兩個(gè)探測(cè)器，反射光檢測(cè)。SPR圖3測(cè)試氣體的SPR響應(yīng)曲線0.9Re-fractive In aex of an ayte四、結(jié)果與討論為了模擬雙波長(zhǎng)強(qiáng)度的根底上SPR傳

9、感器的傳感特性調(diào)制，我們周 I羽使用1550nm波 長(zhǎng)ASE光源。假設(shè)參數(shù)四層 Kretschmann的配苣SPR傳感器d2 =2納米，d3 =50 nm和棱鏡，珞膜, 金膜，分析物分別為介電常數(shù)習(xí) =兀，& =必習(xí)=局，匂=囲。棱鏡和金屬的折射率，將改為由不同波長(zhǎng)，我們假設(shè)棱鏡是K9的semicylinder棱的，色散公式K9玻璃，可 表示為：芻=/J| = CIQ + 4才 + 務(wù)久-0 + "5 幾'.9 入表不入射光波長(zhǎng)微米,其中 ao=, ai=xl0 ?, a2 =xl0 2, a?=x 1 O'4. a4=xl0'5> a5=xl0

10、-6。黃金和珞介電常數(shù)取自Palik18的。SPR 直專(zhuān)注于各種應(yīng)用的傳感器檢測(cè)的折射率分析物，因此，他們應(yīng)該是敏感的測(cè)量折射率。在這篇文章中我們選擇了一些常見(jiàn)氣體5護(hù)0進(jìn)行測(cè)試。雙波長(zhǎng)燈由兩個(gè)相同的光學(xué)纖維過(guò)濾器的選擇ASE光源，這在一左角度的事件。我們的目標(biāo)是檢測(cè)力度通過(guò)計(jì)算不同的反射光強(qiáng)度差的反射光，波長(zhǎng)改變，以研究與分析物的折射率基于雙波長(zhǎng)強(qiáng)度的SPR響應(yīng)測(cè)試氣體的擬合曲線調(diào)制如圖3根據(jù)SPR反射式等式1通過(guò)使用MATLAB建模程序。入射角為。和測(cè)雖:范羽折射率是從1至嘰藍(lán)線顯示的反射 1540 nm和1560 nm處，分別為，紅線代表的反射兩種波長(zhǎng)的差異。PR圖4反射率的放大圖Res

11、ponseCurve ofTesteaG4是302540納米之間的反射差異放大和圖5截取的線性局部PRResponse1560 nmC處。a°從圖4,我們可以發(fā)現(xiàn)，反射差的變化從至線性分析物的折射率。在圖5中的截取的線性局部顯示25我們可以獲取雙波長(zhǎng)的強(qiáng)度調(diào)制SPR傳感器的靈靈敏度為S =28582%/情報(bào)組折射率組，根據(jù)式SPR傳感器靈敏度。如等式8Refractive in dex of an alyteSPR Resp onse Curve of Testeo GasRefractive in dex of an alyteKef r?i 忖盤(pán) rn *1 fl ¥

12、Ct nri £1 a圖6不同的反射率在不同的入射角度。，。，。，。圖5表示的反射率差異作為一個(gè)函數(shù)的擬合曲線分析物的折射率從至，雙波長(zhǎng)1540納米與。角和1560 nm的事件。但我們也發(fā)現(xiàn)，分析物的折射率范圍是有限的。為了擴(kuò)大測(cè)量范用內(nèi)，我們改變?nèi)肷浣牵仨毐ＷC折射率與前連續(xù)。常見(jiàn)氣體的折射率范用是1 -，因此，為了進(jìn)行模擬，在本章的折射分析物的指數(shù)從1至嘰我們模擬的反射差在不同的角度即。，。，。，。使用相同的。，這是圖的擬合方法，如圖6所示。在這種方式中，我們可以發(fā)現(xiàn) ，通過(guò)改變氣體的折射率測(cè)量范用有效擴(kuò)大入射角。 仿真驗(yàn)證雙波長(zhǎng)強(qiáng)度的可行性調(diào)制，將采取一左的指導(dǎo)作用，為開(kāi)展未來(lái)

13、的SPR實(shí)驗(yàn)?；陔p波長(zhǎng)的強(qiáng)度調(diào)制 SPR傳感器有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)如下：1. 雙波長(zhǎng)的燈都來(lái)自相冋的 ASE光源，其強(qiáng)度將改變與任何光源的同步波動(dòng)。我們通過(guò)計(jì)算，可以有效地消除光源不穩(wěn)定表達(dá)在兩個(gè)波長(zhǎng)的光強(qiáng)度差。這是有利于提咼抗干擾能力和測(cè)量?jī)x器的范。2. 正如我們所知，只有一個(gè) P-極化波可以激發(fā)表而等離子體波，和一個(gè)S為振波不 能產(chǎn)生SPR現(xiàn)象。這意味著，反射強(qiáng)度 S -極化波幾乎不改變前后反射。在雙波長(zhǎng)強(qiáng)度調(diào)制SPR傳感器，我們可以消除的影響通過(guò)訃算兩種波長(zhǎng)的反射光的強(qiáng)度差的S-偏振波。因此，SPR傳感器基于雙波長(zhǎng)的強(qiáng)度調(diào)制可以離開(kāi)了偏光鏡。它有利于簡(jiǎn)化的SPR儀器，容易調(diào)整光路。五、結(jié)論我們報(bào)告一個(gè)新的 Kretschmann棱鏡耦合SPR傳感器基于雙波長(zhǎng)使用光纖濾波器，選 擇兩 種波長(zhǎng)的強(qiáng)度調(diào)制相同的 ASE光源。一個(gè)新概念的雙波長(zhǎng)的強(qiáng)度調(diào)制在本章提出，這 是一個(gè)傳 統(tǒng)的輕微修改強(qiáng)度調(diào)制技術(shù)。與傳統(tǒng)的 SPR傳感器相比，有兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)： 1它們能夠有效 地消除光源的影響不穩(wěn)