表面等离子体共振理论仿真研究.pdf

第3 3 卷第2 期 2 0 1 1 年4 月 光学仪器 O P T I C A LI N S T R U M E N T S V 0 1 3 3 N o 2 A p r il 2 0 1 1 文章编号 1 0 0 5 5 6 3 0 2 0 1 1 0 2 0 0 6 7 0 4 表面等离子体共振理论仿真研究 牟海维 王宏瑾 王强 刘超 东北石油大学电子科学学院 黑龙江大庆1 6 3 3 1 8 摘要 为了掌握影响激发表面等离子体共振 S P R 现象的因素 文中以薄膜光学理论为基础 利 用W in s p a l l 软件模拟研究K r e t s ch m a n 结构下 金膜厚度 待测介质折射率以及三棱镜类型对表 面等离子体共振吸收峰位变化的影响 得出了最佳膜厚以及影响激发s P R 现象的棱镜折射率和 待测物质折射率随共振角度变化的规律 为S P R 传感器的设计与优化提供理论指导 关键词 表面等离子体共振 S P R 反射率曲线 K r e s t ch m a n n 结构 中图分类号 T N2 0 1文献标识码 Ad o i 1 0 3 9 6 9 j is s r L1 0 0 5 5 6 3 0 2 0 1 1 0 2 0 1 5 R e s e a r cho nt h e o r e t ica ls im u l a t io no fS P R M UH a iw e i W A N GH o n g j in W A N GQ ia n g L I UC h a o E l e ct r o n icsS cie n ceC o l l e g e N o r t h e a s tP e t r o l e u mU n iv e r s it y D a q in g1 6 3 3 1 8 C l l iI l a A b s t r a ct I no r d e rt oo b t a int h ein f l u e n cef a ct o r st ot h es u r f a cep l a s m o nr e s o n a n ce S P R p h e n o m e n o n t h ee f f e ct o ft h ick n e s so fm e t a lf il m t h er e f r a ct iv ein d e xo fm e d iaa n dp r is m t y p e so nS P Rh a v eb e e ns y s t e m a t ica l l ys im u l a t e db yW in s p a l ls o f t w a r eb a s e do nt h inf il m o p t icst h e o r yint h isw o r k T h eo p t im u mf il mt h ick n e s sa n dt h er e l a t io n s h ipb e t w e e nt h e r e f r a ct iv ein d e xa n dt h er e s o n a n cea n g l ef o rK r e t s ch m a nt y p eS P Rh a v eb e e ng iv e n w h ich p r o v id e sat h e o r e t ica lg u id a n cef o rt h ed e s ig na n do p t im iz a t io no fS P Rs e n s o r s K e yw o r d s s u r f a cep l a s m o nr e s o n a n ce S P R r e f l e ct a n cecu r v e K r e s t ch m a n nt y p e 引言 S P R 现象是一种物理光学现象 早在1 9 0 2 年 o d 1 3 就发现了S P R 现象 1 9 6 8 年 K r e t s ch m a n 2 提出了衰减全反射棱镜耦合方法激发S P R 的K r e t s ch m a n 模型 为后来S P R 传感器的发展奠定了基础 如今 S P R 技术得到了广泛的应用 以S P R 为原理的传感器具有灵敏度高 免标识 实时 快速检测等优 点 在生物科学 药品研制 环境污染检测等领域具有广阔的应用前景 3 6 1S P R 基本原理 以典型的K r e t s ch m a n 结构为例 见图1 当一束P 偏振光射入棱镜 金膜 环境介质这种三层结构时 调整入射角使其发生全内反射 在棱镜 与金膜的界面上 会有一少部分光透人到金膜一定深度并呈指数衰减的消失波 所以 消失波的频率和 入射光频率相同 其波矢量在轴方向的分量为 收穑日期 2 0 1 0 0 9 0 2 基金项目 黑龙江省归国学子基金资助项目 L C 2 0 0 9 C 1 1 作者简介 牟海维 1 9 6 3 一 男 黑龙江绥化人 教授 博士 主要从事电子类专业的专业基础课教学以及测试技术 信息处理方面的研 究工作 6 8 光学仪器第3 3 卷 k 竺瓜s in o o 1 C 式 1 中 为光波的角频率 c为真空中的光速 e o 为棱 镜的介电常数 口为入射角 在局限于金属表面上的等离 子振荡会产生一种沿X 方向传播并且幅度沿Z 方向衰减 巧 州 罕 z i 工舟1 而一乏 歹 o 1 2 铲再五 4 5 6 愚眙 竺 e ios in o s in 0 7 惫眙2 一 C 式中e o z 分别为棱镜 金属薄膜 待测样品的介电常数 d 为金属薄膜的厚度 r j 计 表示相邻两层膜界 面上的反射系数 2 S P R 仿真分析 假定 o 一2 2 9 e 一1 2 4 5 1 3 i 待测介质为空气 利用W in s p a l l 模拟了当入射光波波长为 6 3 2 8 n m 时 不同金膜厚度的表面等离子体共振谱线 见图2 图2 a 为不同金膜厚度的表面等离子体共振谱线 从图中可以看出 金膜厚度对曲线的形状有很大 的影响 随着金膜厚度的不断增加 反射吸收峰的峰位先是加深而后又逐渐变浅 在吸收峰位达到最深 时是观察到的现象最明显的时刻 此外 金膜的厚度过薄或过厚都不利于激发S P R 现象 如在8 0 n m 时 的吸收峰已经变得不再明显 若膜厚继续增加而使消失波无法到达待测介质的界面上 则不会发生S P R 现象 图2 b 是图2 a 中峰值所对应的数据通过描点得出的膜厚与共振角和反射系数之间的关系 图 中1 k 曲线清晰的显示了反射系数最小值对应的膜厚是5 0 n m 此时则为激发S P R 现象的最佳膜厚 所以 镀膜时应选在该厚度附近下观察到的现象更为明显 而k 曲线表明 随着金膜厚度的增加 共振角的 变化较小 表明膜厚的变化对共振角出现的位置影响较小 保持金膜厚度为5 0 n m 改变棱镜的折射率 在其他条件不变的情况下所得的曲线见图3 第2 期牟海维 等 表面等离子体共振理论仿真研究 6 9 扫 喜 蛊 Them Thickness nm a 不同金膜厚度的表面等离子体共振曲线 b 峰值对应反射系数和共振角与膜厚的关系曲线 a T h eS P Rs p e ct r u ml in e so f b P l o t so f t h er e s o n a n cea n g l ea n dr e f l e ct io nco e f f icie n t s d if f e r e n tf il mt h ick n e s so f g o l dv e r s u sf il mt h ick n e s sf o rr e s o n a n cea b s o r b in gp e a k s 图2 不同金膜厚度的表面等离子体共振谱线 F ig 2T h eS P Rs p e ct r u ml in e so fd if f e r e mf il mt h ick n e s so fg o l d T h e m a 不同棱镜折射率的反射率曲线 a T h er e f l e ct a n cecu r v eo fd if f e r e n t p r is m sr e f r a ct iv ein d e x T h e m b 不同待测物质的反射率曲线 C o T h er e f l e ct a n cecu r v eo f d if f e r e n tt e s tm a t e r ia l 图3 不同参数下的反射率曲线 F ig 3T h er e f l e ct a n cecu r v eo fd if f e r e n tp a r 8 1 T l e t e r 图3 a 示出了不同棱镜折射率的反射率曲线 可见 随着棱镜的折射率的增大 反射率曲线的形状 没有变化 只是位置逐渐向左移动 也就是说共振角在逐渐减小 图3 b 为不同待测物质的反射率曲线 图中曲线表明 不同折射率的待测物质对应着不同的共振角 待测物质的折射率越大对应的共振角越大 两者表明了棱镜的折射率与待测物质的折射率相差越大 共振角越小 图3 b 中待测物质的折射率从1 开始 以0 0 5 为步长变化至1 2 而对应的角度约以5 的间隔改变 反映了较小的探测物质的折射率的变 化率对应着较大的共振角度的变化率 也就是说S P R 测试方法的可以精确测得影响待测物质折射率变化 的参数 3 结论 文中通过S P R 仿真分析 考察了棱镜 金膜和待测介质对光强反射率的影响 仿真结果表明 金膜厚 度在5 0 n m 附近时 共振现象最明显 棱镜和待测物质的折射率相差越大 共振角越小 待测物质折射率微 7 0 光学仪器 第3 3 卷 小的改变会引起共振角较大的变化 可对影响待测物质折射率微小变化的参数进行S P R 测试 迸一步的工作主要研究多层膜结构的K r e t s ch m a n 模型参数对激发曲线的影响 并在实际测试中 分 析探测对象的变化对激发条件的影响及相关参数的优化 参考文献 E I I W O O DRw O nar e m a r k a b l eca s eo fu n e v e nd is t r ib u t io no fl ig h tinad if f r a ct io ng r a t in gs p e ct r u m J P h ilM a g m 1 9 0 2 4 3 9 6 4 0 2 2 3K R E I S cH M A N NE R A E T H E RH R a d ia t iv ed e ca yo fn o n r a d ia t iv es u r f a cep l a s m o n se x cit e db yl ig h t J ZN a t u r f o r s ch 1 9 6 8 2 3 A 2 1 3 5 2 1 3 6 3 3H E R M I N J A R DS V S I R I G ULZS u r f a cep l a s m o nl 屯s o n a il ces e n s o rs h o w in ge n h a n ce ds e n s it iv it yf o ra 瑰d e t e ct io nint h em id in f r a r e dr a n g e J O p t icsE x p r e s s 2 0 0 9 1 3 1 5 4 C H A HSW Y IJH S u r f a cep l a s m o nr e s o n a n cea n a l y s iso fa q u e o u sm e r cu r icio n s J S e n s o r s a n dA ct u a t o r s 2 0 0 4 9 9 B 2 1 6 2 2 2 5 3E N G L E B I E N N EP H O O N A C K E RAv S u r f a cep l a s m o nr e s o n a n ce p r in cip l e s m e t h o d sa n da p p l ica t io n sinb io m e d ica ls cie n ce s J S p e ct r o s co p y 2 0 0 3 1 7 2 5 5 2 7 3 6 陈焕文 牟颖 赵晓君 等 表面等离子体共振传感器 应用和进展 J 分析仪器 2 0 0 1 2 3 8 7 P U S T E L N YT I G N A C N o w I Q AJ S u r f a cep l a s r n o nr e s o n a n cep h e n o m e n aa n dit sa p p l ica t io nf o rm e t a lp h t h a l o cy a n in es e n s o r l a y e r sin v e s t ig a t io n s J M o l e cu l a r a n dQ u a n t u mA co u s t ics 2 0 0 3 2 4 4 7 5 9 8 赵晓君 陈焕文 宋大千 等 表面等离子体共振传感器I 基本原理 J 分析仪器 2 0 0 0 1 1 4 1 8 眼镜也能为你提供信息服务 日本发出新型增强现实功能智能眼镜 据英国广播公司 B