太赫茲表面等離激元共振傳感器探討

王秋鵬

（西安鐵路職業技術學院，陜西西安 710014）

在生物學領域中，許多生物大分子以及結構相關的特征振動與轉動的能級，都處在太赫茲頻率中，因此，對于實際應用與研究來講，太赫茲相應的光譜分析技術等，在生物學以及醫學領域中的應用和研究比較常見。太赫茲光譜分析技術等在生物學以及醫學領域的研究與應用，很早就有實現。比如，21世紀初，就有學者就有學者實現利用太赫茲光譜對于生物分子中的集體振動模式進行研究分析，還有學者使用太赫茲時域光譜技術進行DNA成分的遠紅外介電函數測量研究，隨后，一些學者紛紛實現了利用差分太赫茲時域光譜進行生物單細胞層微小改變的測量分析與研究等。雖然太赫茲技術在生物以及醫學領域中的應用研究有了很大的突破發展，但是由于水與太赫茲輻射之間的影響作用，使得在進行一些含水沖液的近生理條件的生物樣品額分析研究應用具有很大的局限性。表面等離激元共振是一種存在于金屬與電介質界面的電荷密度振蕩本征模式，主要是通過入射光，在棱鏡耦合以及光柵耦合、波導耦合等耦合作用下，實現激發產生。本文主要通過對于經過棱鏡耦合的太赫茲表面等離激元共振傳感器工作特性的分析，實現太赫茲表面等離激元共振傳感器的分析探討。

1 表面等離激元共振傳感器技術介紹

表面等離激元共振是一種存在于技術與電介質界面的電荷密度振蕩本征模式，它主要是通過入射光在棱鏡以及光柵、波導的耦合作用下，實現振蕩作用的激發產生。在可見光波段，基于界面響應分析以及反射測量技術的表面等離激元共振傳感器，在生物學以及醫學研究領域的應用十分廣泛，并且這種表面等離激元共振傳感器，能夠實現對于液體樣品等的電磁響應性質進行測量分析。

表面等離激元共振傳感器在實際工作應用中，主要是通過入射光對于棱鏡金屬薄膜以及電介質界面的激發作用，產生表面等離激元，并且表面等離激元與棱鏡金屬薄膜后的樣品電介質性質的耦合條件實現時，入射光就會與表面等離子波發生共振作用，從而改變發射光的性質，并且能夠實現對于電磁響應信息的測量分析實現。通常情況下，根據光波以及表面等離激元相互作用的實際性質情況，表面等離激元共振傳感器的工作方式，主要有角度調制以及波長調制、相位調制、強度調制、偏離調制等。總之，基于冷靜耦合作用的表面等離激元共振傳感器技術，在可見光波段的應用中，已經是一項比較成熟的技術，但是在太赫茲波段的工作運行應用，還需要進行加強研究與實現。

2 表面等離激元共振傳感器的計算方法

在實際應用中，對于棱鏡耦合作用下激發產生的表面等離激元共振作用，可以通過應用菲涅爾多層反射原理進行計算與分析研究。比如，在進行棱鏡耦合作用下表面等離激元共振傳感器中反射波振幅的分析計算中，如果假設棱鏡耦合作用的表面等離激元共振傳感器的入射波振幅為AI，此外，已知總振幅反射系數以及相位變化情況等因素，那么，對于反射波振幅的計算可以通過下列公式（1）進行實現。

同理，棱鏡耦合作用的表面等離激元共振傳感器振幅反射系數的計算公式，如下公式（2）所示。

根據上述計算公式，在表面等離激元共振傳感器工作計算過程中，可以知道棱鏡耦合作用情況下，只有TM入射波能夠進行金屬界面等離激元振蕩作用的產生。并且在進行棱鏡耦合作用的表面等離激元共振傳感器計算中，對于金屬介電常數需要通過Drude模型進行計算得出，它通常是一個個體參數的形式，并且在表面等離激元共振傳感器計算中，金屬層的表面厚度通常都大于10nm。

3 太赫茲表面等離激元共振傳感器的分析

根據上述對于棱鏡耦合作用的表面等離激元共振傳感器計算方法的分析論述，在進行太赫茲表面等離激元共振傳感器的分析中，可以通過上述計算方法，在對于需求分析因素的計算情況下，實現對于太赫茲表面等離激元共振傳感器的分析實現。

3.1 太赫茲表面等離激元共振傳感器特征與原理分析

為了實現對于太赫茲表面等離激元共振傳感器基本特征與工作原理的分析，尤其是可見光波段與太赫茲波段不同波段作用下，表面等離激元共振傳感器工作特征的分析實現，可以選擇使用不包含頻率因素作用的棱鏡以及電介質樣品響應參數，并且在一定光頻值和太赫茲參數值情況下，實現對于兩種不同情況下的表面等離激元共振傳感器工作特征的計算分析。根據上述分析方法以及實際計算分析情況可以知道，在兩種不同波段情況下，表面等離激元共振傳感器的工作運行中，只有金屬樣品的介電常數結果不相同。如下公式（3）所示，為光頻波段情況下，金屬樣品的介電常數值計算公式。

根據上述計算公式（3）可以對于光頻波段情況下，表面等級激元共振傳感器模型中金屬樣品的介電常數值進行計算求得。而太赫茲波段情況下，由于金屬樣品的介電常數值不同，同時又由于太赫茲波段情況下，不同角度的反射信號會呈現出一個比較突出的共振增加現象，因此，根據公式（3）中確定的光頻波段下反射極小角度情況與太赫茲波段情況下共振角的關系，就可以由下列公式（4）進行太赫茲波段下金屬樣品折射率的計算確定。

如下圖1所示，是根據上述計算公式計算得出的太赫茲波段情況下，不同偏振入射太赫茲波的反射率、透射率與入射角的變化關系示意圖。

圖1 不同偏振入射太赫茲波的反射率、透射率與入射角關系示意圖

3.2 金屬薄膜性質、厚度以及折射樣品響應影響分析

在太赫茲波段情況下，表面等離激元共振傳感器在不同金屬樣品性質的棱鏡耦合作用中，會對于表面等離激元共振作用產生不同的影響，從而呈現出不同的表面等離激元共振作用。以Ag、Pt、Cu以及Cr四種不同性質的金屬材料為例，假設這四種金屬樣品的鍍膜層厚度一致，并且在棱鏡以及樣品的折射率一定下，金屬薄膜性質對于表面等離激元共振傳感器工作性質的影響作用，同樣，當以Cr作為表面等離激元共振傳感器的金屬膜層時，假設每個金屬膜層的厚度不同，那么，根據實際的計算分析結果可知，不同金屬膜層厚度對于表面等離激元共振傳感器的工作特征也會產生一定的影響作用，

此外，為了進行不同折射率樣品對于表面等離激元共振傳感器工作性質的影響分析，通過對于四種不同折射率樣品的模擬量進行試驗測量，假設金屬樣品的薄膜層為鉻，并且金屬膜層的厚度值一定且已知，那么如下圖2所示，為四種不同樣品折射率的影響曲線示意圖。

圖2 不同金屬薄膜性質的影響作用示意圖

4 結束語

總之，進行太赫茲表面等離激元共振傳感器工作特征與原理的分析探討，對于太赫茲表面等離激元共振傳感器在實際中應用推廣以及適用性分析等，都有著積極的作用和意義。同時，根據上文的論述也可以知道，太赫茲表面等離激元共振傳感器在這種工作方式下，進行太赫茲波以及樣品直接接觸情況的測量分析，有利于避免水對于太赫茲波吸收作用的不利影響，具有積極作用和意義。

[1]馮輝，汪力.太赫茲表面等離激元共振傳感器[J].光譜學與光譜分析.2011（8）.

[2]管人寶，何秀麗，高曉光，趙玲，李建平，賈建.非共振光聲紅外氣體傳感器結構參量分析[J].儀表技術與傳感器 .2012（8）.

[3]馮李航，曾捷，梁大開，劉宏月.基于光纖SPR光譜分析的水質礦化度檢測研究[J].光譜學與光譜分析.2012（11）.

[4]周進波，謝志鵬，楊唐勝.ΔE效應對磁彈性傳感器的影響與分析[J].傳感器與微系統.2012（10）.

[5]劉超，孫祺.光纖表面等離子體共振傳感器敏感膜的仿真研究[J].科學技術與工程.2012（17）.

[6]劉超，孫祺，張子華，邱艷，張倩，周志全.基于表面等離子體共振光纖持氣率傳感器探頭敏感膜理論仿真研究[J].科學技術與工程.2012（14）.

[7]牟海維，段玉波，張坤，劉超.基于表面等離子體共振技術油水持率傳感器的實驗研究[J].光學儀器.2012（2）.