双波长强度调制的表面等离子体共振传感器的设计与仿真

基于双波长强度调制的表面等离子体共振传感器的设计与仿真YanHuang，Hong-anYe，Lai-xuGao，Song-quanLi，FengLiang，QianYang，BaiYang摘要:在本章中，我们提出Kretschmann棱镜耦合表面等离子体共振（SPR）传感器基于双波长的强度调制。为了研究传感器的传感特性，通过光纤滤波器两种波长，我们选择从放大自发辐射（ASE）约1550nm波长的光源。通过使用MATLAB建模程序，不同入射角已被用来模拟不同气体的折射率拟合曲线的反射差异。基于双波长的强度调制SPR传感器是一种新的传感器，通过改变入射角，它可以有效地扩大测量范围，可以检测更多的样品。这种类型的SPR传感器在未来将有各种应用。关键词:表面等离子体共振（SPR）；传感器；双波长；强度调制一、介绍反常衍射光栅，由于激发表面等离子体波（SPW）的现象Wood在1902年首次描述。Stern和Ferrell提供的这种模式的共振条件，所描述的“表面等离子体共振的概念“（SPR），在1960年第一次被提出。Kretschmann和Otto在1968年证明了光激发表面等离子体（SP）的衰减全反射（ATR）的方法。Nylander和Leidberg在1982年演示了如何使用SPR的气体检测和生物传感。此后，SPR传感器激发的广泛关注，在遥感应用领域，如物理检测，生物医药，化学分析，环境监测等。SPR传感器有许多优点，如响应速度快，体积小，抗磁场干扰。此外它的标签是免费的，而且可以用光纤连接，实现远程数据采集和在线监测等。SPR是一种物理光学现象。激发表面等离子体，这是由自由电子在金属薄膜的表面，引起可以实现用渐逝波全内反射（TIR）创建一个P-偏振波。发生共振，当入射角或波长是一个适当的值相等。SPW波向量等于渐逝波矢量的切向分量时，将被吸收，入射光和反射光的能量将大幅下降。此外，共振浸，即，最小反射光的强度将出现在反射光谱。SPR是在位于旁边的金属薄膜介质的折射率的变化非常敏感。当被测介质的折射率改变，共振浸会被改变。SPR传感器可分为棱镜耦合器，光栅耦合器，光纤耦合器，根据不同的光学耦合方法。最常见的方法来激发表面等离子体是由棱镜耦合传感器基于ATR的方法手段。ATR的方法有两种配置：krestchmann几何和奥托几何。基于哪些特点SPR传感器测量光波与表面等离子体相互作用，可以列为角度，波长，强度，相位，偏振调制。目前，基于强度调制SPR传感器普遍和广泛使用，但他们往往需要获得一个P-偏振波的入射光，他们都非常敏感，任何光源强度波动。因此，传统的强度调制SPR传感器仪器复杂，光源必须是高品质和稳定性。为了克服这些负面因素，我们提出了一个新概念的基础Krestchmann棱镜耦合SPR传感器通过使用MATLAB理论模拟双波长检测技术。在这一章中，这是一个传统的强度调制稍作修改技术。二、原理一个四层Kretschmann的配置SPR传感器如图1。根据菲涅耳的方程，从这个p偏振光的反射率R实验装置，可表示为：22234122234122123422221dikppdikpppggerrerrrR……（1）图1Kretschmann棱镜原理图耦合SPR传感器333323423234232341dikppdikpppggerrerrr……（2）2222////jzjizijzjizipijnknknknkr……（3）5.022120sinnnkkjijzi……（4）pr234代表从介质2至4反射的反射系数，pijr是在i和j媒介之间的边界反射系数（i，j=1，2，3，4）d2和d3代表厚度的介质2（铬）和3（金），分别。jzik是中等我（j）波矢在z方向的分量。凡n1，n2，n3，n4的值，铬，黄金和棱镜的折射率被测介质和k0是真空中的波矢和θ是入射角接口上。三种调制方法已在SPR传感最常用的：角度调制，波长调制和强度调制。目前，强度调制是最简单的方法，这是基于测量入射光波之间的耦合强度和表面等离子体在一个单一的发病率和波长，光波的强度作为一个传感器的输出。Krestchmann棱镜耦合SPR传感器的一个新概念双波长检测技术的基础上，建议在这一章，这是选择一个轻微修改了传统的强度调制technique。We放大自发辐射（ASE）光源，并使用两个光纤滤波器选择两种波长的事件灯（他们的能量几乎是相同的），在两种不同波长的反射光的强度是衡量探测器。R1和R2的两束光的反射率可以表示为：011/IIR……（5）022/IIR……（6）图2双波长强度调制SPR传感器实验装置这里I0为入射光强度，I1和I2表示两个强度反射灯，分别从式5和6，我们可以得到不同R1和R2之间的反射：021020121IIIIIIIRRR……（7）传感器的灵敏度是传感器输出的变化在变化中的比例的被测。SPR传感器是非常敏感的折射率变化位于介质旁边的金属薄膜。因此，在SPR传感器分光强度调制，传感器的输出被定义为差异这两个反射强度（这是成正比的反射），被测分析物的折射率，因此仪器的贡献传感器灵敏度S可以写为R/N：2121nnRRnRS……（8）三、实验装置的设计在本章中，我们设计了自制的实验装置在Kretschmann配置，为了实现双波长的强度调制。基本设计平台的SPR仪器如图2。K9玻璃幻灯片（n=1.5163）加上的K9semicylinder棱镜的使用折射率匹配液（n=1.5167）这将有效地使幻灯片棱镜的一个组成部分。用于SPR测量，薄膜必须沉积在K9玻璃幻灯片，包括一个50纳米的黄金电影初步蒸发后的铬（〜2nm）的闪蒸粘附的目的。我们选择ASE光源，并使用两个光纤滤波器选择1540nm和1，560战略石油储备的测量纳米。在另一边，强度分别由两个探测器，反射光检测。图3测试气体的SPR响应曲线四、结果与讨论为了模拟双波长强度的基础上SPR传感器的传感特性调制，我们周围使用1550nm波长ASE光源。假设参数四层Kretschmann的配置SPR传感器d2=2纳米，d3=50nm和棱镜，铬膜，金膜，分析物分别为介电常数244233222211,,,nnnn。棱镜和金属的折射率，将改为由不同波长，我们假设棱镜是K9的semicylinder棱的，色散公式K9玻璃，可表示为：85644322210211aaaaaan……（9）λ表示入射光波长（微米），其中a0=2.269，a1=-9.450×10-3，a2=1.164×10-2，a3=-1.380×10-4，a4=4.420×10-5，a5=-2.345×10-6。黄金和铬介电常数取自Palik[18]的。SPR一直专注于各种应用的传感器检测的折射率分析物，因此，他们应该是敏感的测量折射率。在这篇文章中我们选择了一些常见气体（n4≈1-1.0008）进行测试。双波长灯由两个相同的光学纤维过滤器的选择ASE光源，这在一定角度的事件。我们的目标是检测力度通过计算不同的反射光强度差的反射光，波长改变，以研究与分析物的折射率基于双波长强度的SPR响应测试气体的拟合曲线调制如图3，根据SPR反射式等式1通过使用MATLAB建模程序。入射角为42.08°和测量范围折射率是从1到1.001。蓝线显示的反射1540nm和1560nm处，分别为，红线代表的反射两种波长的差异。图4反射率的放大图图5截取的线性部分图4是1540纳米之间的反射差异放大和1560nm处。从图4，我们可以发现，反射差的变化从1.0004至1.0005线性分析物的折射率。在图5中的截取的线性部分显示。我们可以获取双波长的强度调制SPR传感器的灵敏度为S=28582％/情报组（折射率组），根据式SPR传感器灵敏度。如等式8。图6不同的反射率在不同的入射角度(42.07°,42.077°,42.084°,42.091°)图5表示的反射率差异作为一个函数的拟合曲线分析物的折射率从1.0004至1.0005，双波长1540纳米与42.08°角和1560nm的事件。但我们也发现，分析物的折射率范围是有限的。为了扩大测量范围内，我们改变入射角，必须保证折射率与前连续。常见气体的折射率范围是1-1.0008，因此，为了进行模拟，在本章的折射分析物的指数从1到1.0008。我们模拟的反射差在不同的角度即42.07°，42.077°，42.084°，42.091°使用相同的42.08°，这是图的拟合方法，如图6所示。在这种方式中，我们可以发现，通过改变气体的折射率测量范围有效扩大入射角。仿真验证双波长强度的可行性调制，将采取一定的指导作用，为开展未来的SPR实验。基于双波长的强度调制SPR传感器有几个优点如下：1.双波长的灯都来自相同的ASE光源，其强度将改变与任何光源的同步波动。我们通过计算，可以有效地消除光源不稳定体现在两个波长的光强度差。这是有利于提高抗干扰能力和测量仪器的范围。2.正如我们所知，只有一个P-极化波可以激发表面等离子体波，和一个S-偏振波不能产生SPR现象。这意味着，反射强度S-极化波几乎不改变前后反射。在双波长强度调制SPR传感器，我们可以消除的影响通过计算两种波长的反射光的强度差的S-偏振波。因此，SPR传感器基于双波长的强度调制可以离开了偏光镜。它有利于简化的SPR仪器，容易调整光路。五、结论我们报告一个新的Kretschmann棱镜耦合SPR传感器基于双波长使用光纤滤波器，选择两种波长的强度调制相同的ASE光源。一个新概念的双波长的强度调制在本章提出，这是一个传统的轻微修改强度调制技术。与传统的SPR传感器相比，有两个主要优点：（1）它们能够有效地消除光源的影响不稳定;（2），他们可以没有偏光镜。SPR响应拟合曲线常见的气体是通过使用MATLAB模拟程序模拟。反射功能分析物的折射率不同的拟合曲线本章所示。仿真验证双波长的可行性强度调制，将采取一定的指导作用，对未来的战略石油储备的实验衡量各待测物的折射率。这种类型的战略石油储备传感器能够有效地扩大测量范围的分析物的折射率通过改变入射角。进一步的调查正在进行中，以检测出更多的样品和其众多的应用研究SPR响应。