基于Matlab的定角度SPR传感器仿真.pdf

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1、66传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)2013年第32卷第1l期基于Matlab的定角度SPR传感器仿真孙玉锋，邢砾云，崔洪亮(吉林大学仪器科学与电气工程学院。吉林长春130021)摘要：从理论上分析表面等离子体共振(SPR)的条件，给出了k层Kretschmann棱镜耦合模型下的反射率R大小的公式，编写了Matlab仿真软件，仿真了4层Kretschmann棱镜耦合模型下的反射率R大小与入射光波长、银膜厚度、棱镜折射率的关系。分析了仿真结果，得出了采用定角度方式时各装置参数的选择依

2、据。关键词：表面等离子体共振；仿真；Matlab；定角度；传感器中图分类号：TP212．1文献标识码：A文章编号：1000-9787(2013)11-0066-02SimulationoffixedangleSPRsensorbasedonMatlabSUNYu—feng，XINGLi—yun，CUIHong—liang(CollegeofInstrumentation&ElectricalEngineering，JilinUniversity，Changchun130021，China)Abstract：TheconditionofSP

3、Risanalyzedtheoretically，formulaofreflectanceusingklayersKretsehmannprismcouplingmodelisgiven，Matlabsimulationsoftwareisprogrammed，andsimulatesrelationshipsbetweenreflectanceandincidentlightwavelength，silverfilmthickness，prismrefractiveindex．Theresultisanalyzedandselectio

4、ncriteriaofeachequipmentparametersinfixedanglemodeiseduced．Keywords：sur[aceplasmonresonance(SPR)；simulation；Matlab；fixedangle；sensor0引言＼表面等离子体共振(SPR)是一种光学物理现象⋯。在!经典Drude模型中J，金属中大部分电子被束缚在原子周围，其余部分被称为“自由电子”，能在原子问运动。入射光波与金属表面自由电子相互作用会产生表面等离子体波(SPW)，如果入射光波与SPW产生共振，就形成了SPRJ，那么

5、，反射光光谱就会出现吸收峰。SPR传感器就是基于图1典型Kretschmann棱镜耦合模型Fig1TypicalKretschmannprismcoupfingmodelSPR原理制作的。将SPR传感器从物理现象转换为可以计算的数学问，(3)题很有实际意义，可以在实验之前仿真，避免不必要的繁琐k~=21r~／／q-一s．n2实验。，(4)1Kretschmann棱镜耦合模型分析Kretschmann提出的棱镜耦合的全内反射方法是SPR}(o，⋯，一1)-(5)传感器应用最广泛的技术，其模型如图1所示。假设棱镜除去光在传播过程中的损失，若R

6、<1，则认为发生了介电常数为，金属膜介电常数为，样品介电常数为s。，SPR现象。一束光以0角度入射，kpx为光在平行界面的波矢分量，k⋯根据Kretschmann棱镜耦合模型㈨，就可以得出此种为光在金属与样品界面的波矢。方式的SPR传感器的几种调制方式，基本分为4种：k层Kretsehmann棱镜耦合模型下的反射率R¨4如下1)角度调制：固定A，改变0；R=lr0．l，(1)2)波长调制：固定0i，改变A；，一±!：=!旦生!0’1+rJl0十llHexp(2ikj+l+1)’3)强度调制：固定0，A；，测光强；=-3，⋯，0，(2)4)

7、相位调制：固定0。，A，测相差。收稿日期：2013-04-01第l1期孙玉锋，等：基于Matlab的定角度SPR传感器仿真67本文中对固定角度的方式进行仿真。的He．Ne激光器作为实验光源。懈礤2Kretschmann棱镜耦合模型的仿真在对入射光波长的仿真中还可以看出：使用此模型测根据实际需求，采用4层Kretschmann棱镜耦合模型，量折射率为1．33的纯净水的各个波长所对应的共振角度为了便于更换银膜，将银膜镀在玻片上，然后将玻片固基本不变，约为61．7。，由此得出检测纯净水时所采用的入定在棱镜上。固定入射光角度0，具体的应用模型如图

8、2射光的入射角度。所示。综合式(1)一式(5)可以得出共振角与对应的反2．2银膜厚度的仿真射率R。Kretschmann棱镜耦合模型的SPR传感器中不同的入Kretschmann棱镜耦合模型的