-.z基于雙波長強度調(diào)制的外表等離子體共振傳感器的設(shè)計與仿真YanHuang，Hong-anYe，Lai-*uGao，Song-quanLi，F(xiàn)engLiang，QianYang，BaiYang摘要:在本章中，我們提出Kretschmann棱鏡耦合外表等離子體共振〔SPR〕傳感器基于雙波長的強度調(diào)制。為了研究傳感器的傳感特性，通過光纖濾波器兩種波長，我們選擇從放大自發(fā)輻射〔ASE〕約1550nm波長的光源。通過使用MATLAB建模程序，不同入射角已被用來模擬不同氣體的折射率擬合曲線的反射差異。基于雙波長的強度調(diào)制SPR傳感器是一種新的傳感器，通過改變?nèi)肷浣?，它可以有效地擴大測量*圍，可以檢測更多的樣品。這種類型的SPR傳感器在未來將有各種應(yīng)用。關(guān)鍵詞:外表等離子體共振〔SPR〕；傳感器；雙波長；強度調(diào)制介紹反常衍射光柵，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)外表等離子體〔SP〕的衰減全反射〔ATR〕的方法。Nylander和Leidberg在1982年演示了如何使用SPR的氣體檢測和生物傳感。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，生物醫(yī)藥，化學分析，環(huán)境監(jiān)測等。SPR傳感器有許多優(yōu)點，如響應(yīng)速度快，體積小，抗磁場干擾。此外它的標簽是免費的，而且可以用光纖連接，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集和在線監(jiān)測等。SPR是一種物理光學現(xiàn)象。激發(fā)外表等離子體，這是由自由電子在金屬薄膜的外表，引起可以實現(xiàn)用漸逝波全內(nèi)反射〔TIR〕創(chuàng)立

一個P-偏振波。發(fā)生共振，當入射角或波長是一個適當?shù)闹迪嗟取PW波向量等于漸逝波矢量的切向分量時，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。當被測介質(zhì)的折射率改變，共振浸會被改變。SPR傳感器可分為棱鏡耦合器，光柵耦合器，光纖耦合器，根據(jù)不同的光學耦合方法。最常見的方法來激發(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：krestchmann幾何和奧托幾何?；谀男┨攸cSPR傳感器測量光波與外表等離子體相互作用，可以列為角度，波長，強度，相位，偏振調(diào)制。目前，基于強度調(diào)制SPR傳感器普遍和廣泛使用，但他們往往需要獲得一個P-偏振波的入射光，他們都非常敏感，任何光源強度波動。因此，傳統(tǒng)的強度調(diào)制SPR傳感器儀器復雜，光源必須是高品質(zhì)和穩(wěn)定性。為了克制這些負面因素，我們提出了一個新概念的根底Krestchmann棱鏡耦合SPR傳感器通過使用MATLAB理論模擬雙波長檢測技術(shù)。在這一章中，這是一個傳統(tǒng)的強度調(diào)制稍作修改技術(shù)。原理一個四層Kretschmann的配置SPR傳感器如圖1。根據(jù)菲涅耳的方程，從這個p偏振光的反射率R實驗裝置，可表示為：……〔1〕圖1Kretschmann棱鏡原理圖耦合SPR傳感器……〔2〕……〔3〕……〔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=1，2，3，4〕d2和d3代表厚度的介質(zhì)2〔鉻〕和3〔金〕，分別。是中等我〔j〕波矢在z方向的分量。凡n1，n2，n3，n4的值，鉻，黃金和棱鏡的折射率被測介質(zhì)和k0是真空中的波矢和θ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，波長調(diào)制和強度調(diào)制。目前，強度調(diào)制是最簡單的方法，這是基于測量入射光波之間的耦合強度和外表等離子體在一個單一的發(fā)病率和波長，光波的強度作為一個傳感器的輸出。Krestchmann棱鏡耦合SPR傳感器的一個新概念雙波長檢測技術(shù)的根底上，建議在這一章，這是選擇一個輕微修改了傳統(tǒng)的強度調(diào)制technique。We放大自發(fā)輻射〔ASE〕光源，并使用兩個光纖濾波器選擇兩種波長的事件燈〔他們的能量幾乎是一樣的〕，在兩種不同波長的反射光的強度是衡量探測器。R1和R2的兩束光的反射率可以表示為：……〔5〕……〔6〕圖2雙波長強度調(diào)制SPR傳感器實驗裝置這里I0為入射光強度，I1和I2表示兩個強度反射燈，分別從式5和6，我們可以得到不同R1和R2之間的反射：……〔7〕傳感器的靈敏度是傳感器輸出的變化在變化中的比例的被測。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傳感器分光強度調(diào)制，傳感器的輸出被定義為差異這兩個反射強度〔這是成正比的反射〕，被測分析物的折射率，因此儀器的奉獻傳感器靈敏度S可以寫為R/N：……〔8〕實驗裝置的設(shè)計在本章中，我們設(shè)計了自制的實驗裝置在Kretschmann配置，為了實現(xiàn)雙波長的強度調(diào)制。根本設(shè)計平臺的SPR儀器如圖2。K9玻璃幻燈片〔n=1.5163〕加上的K9semicylinder棱鏡的使用折射率匹配液〔n=1.5167〕這將有效地使幻燈片棱鏡的一個組成局部。用于SPR測量，薄膜必須沉積在K9玻璃幻燈片，包括一個50納米的黃金電影初步蒸發(fā)后的鉻〔?2nm〕的閃蒸粘附的目的。我們選擇ASE光源，并使用兩個光纖濾波器選擇1540nm和1，560戰(zhàn)略石油儲藏的測量納米。在另一邊，強度分別由兩個探測器，反射光檢測。圖3測試氣體的SPR響應(yīng)曲線結(jié)果與討論為了模擬雙波長強度的根底上SPR傳感器的傳感特性調(diào)制，我們周圍使用1550nm波長ASE光源。假設(shè)參數(shù)四層Kretschmann的配置SPR傳感器d2=2納米，d3=50nm和棱鏡，鉻膜，金膜，分析物分別為介電常數(shù)。棱鏡和金屬的折射率，將改為由不同波長，我們假設(shè)棱鏡是K9的semicylinder棱的，色散公式K9玻璃，可表示為：……〔9〕λ表示入射光波長〔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。黃金和鉻介電常數(shù)取自Palik[18]的。SPR一直專注于各種應(yīng)用的傳感器檢測的折射率分析物，因此，他們應(yīng)該是敏感的測量折射率。在這篇文章中我們選擇了一些常見氣體〔n4≈1-1.0008〕進展測試。雙波長燈由兩個一樣的光學纖維過濾器的選擇ASE光源，這在一定角度的事件。我們的目標是檢測力度通過計算不同的反射光強度差的反射光，波長改變，以研究與分析物的折射率

基于雙波長強度的SPR響應(yīng)測試氣體的擬合曲線調(diào)制如圖3，根據(jù)SPR反射式等式1通過使用MATLAB建模程序。入射角為42.08°和測量*圍折射率是從1到1.001。藍線顯示的反射1540nm和1560nm處，分別為，紅線代表的反射兩種波長的差異。-.z-.z圖4反射率的放大圖圖5截取的線性局部圖4是1540納米之間的反射差異放大和1560nm處。從圖4，我們可以發(fā)現(xiàn)，反射差的變化從1.0004至1.0005線性分析物的折射率。在圖5中的截取的線性局部顯示。我們可以獲取雙波長的強度調(diào)制SPR傳感器的靈敏度為S=28582％/情報組〔折射率組〕，根據(jù)式SPR傳感器靈敏度。如等式8。圖6不同的反射率在不同的入射角度(42.07°,42.077°,42.084°,42.091°)圖5表示的反射率差異作為一個函數(shù)的擬合曲線分析物的折射率從1.0004至1.0005，雙波長1540納米與42.08°角和1560nm的事件。但我們也發(fā)現(xiàn)，分析物的折射率*圍是有限的。為了擴大測量*圍內(nèi)，我們改變?nèi)肷浣?，必須保證折射率與前連續(xù)。常見氣體的折射率*圍是1-1.0008，因此，為了進展模擬，在本章的折射分析物的指數(shù)從1到1.0008。我們模擬的反射差在不同的角度即42.07°，42.077°，42.084°，42.091°使用一樣的42.08°，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)，通過改變氣體的折射率測量*圍有效擴大入射角。仿真驗證雙波長強度的可行性調(diào)制，將采取一定的指導作用，為開展未來的SPR實驗?；陔p波長的強度調(diào)制SPR傳感器有幾個優(yōu)點如下：雙波長的燈都來自一樣的ASE光源，其強度將改變與任何光源的同步波動。我們通過計算，可以有效地消除光源不穩(wěn)定表達在兩個波長的光強度差。這是有利于提高抗干擾能力和測量儀器的*圍。正如我們所知，只有一個P-極化波可以激發(fā)外表等離子體波，和一個S-偏振波不能產(chǎn)生SPR現(xiàn)象。這意味著，反射強度S-極化波幾乎不改變前后反射。在雙波長強度調(diào)制SPR傳感器，我們可以消除的影響通過計算兩種波長的反射光的強度差的S-偏振波。因此，SPR傳感器基于雙波長的強度調(diào)制可以離開了偏光鏡。它有利于簡化的SPR儀器，容易調(diào)整光路。結(jié)論我們報告一個新的Kretschmann棱鏡耦合SPR傳感器基于雙波長使用光纖濾波器，選擇兩種波長的強度調(diào)制一樣的ASE光源。一個新概念的雙波長的強度調(diào)制在本章提出，這是一個傳統(tǒng)的輕微修改強度調(diào)制技術(shù)。與傳統(tǒng)的SPR傳感器相比，有兩個主要優(yōu)點：〔1〕它們能夠