SPR傳感原理

表面等離子體共振（Surface plasmon resonance,SPR）是入射光刺激到負、正介電常數材料(這里的正負是指介電常數的實部，兩種材料一般是金屬和棱鏡)之間的界面處時，在金屬材料內同時存在倏逝波和等離子體波（Surface plasmon polariton,SPP），等離子體波與倏逝波之間相位匹配時發生的耦合共振。
發生SPR現象時，入射光能量被電子急劇吸收，反射光能量明顯下降，并且SPR現象對金屬膜外側的介質介電常數微小變化非常敏感，利用這個特性，可以進行高靈敏度的傳感。

基本結構

激發SPR現象最常見的兩種結構是Otto結構和Kretschmann結構。

• Otto結構
  Otto結構是棱鏡-待測介質-金屬膜結構。
  如圖，入射光打到棱鏡上，發生全反射。納米級的金屬膜靠近棱鏡邊緣，使得倏逝波可以與等離子體波（SPP）相互耦合，產生SPR波。不過該結構因制作困難并不常用。
• Kretschmann結構
  Kretschmann結構是棱鏡-金屬-待測介質結構。
  如圖，金屬膜附著在棱鏡上，入射光透過棱鏡打在金屬膜上，激發SPP波，SPP波與倏逝波耦合，產生SPR波。激發該結構因結構簡單，反應靈敏而應用廣泛。
  下面介紹的角度調制與波長調制傳感結構也是Kretschmann結構。

角度調制

如圖，當入射波長固定為500nm時，改變入射角度，待測介質折射率是1,1.1,1.2,1.3,1.4,1.5時，對應的共振角依次是44°,50°,57°,67°,85°。

clear
clc
angles = 0:0.01:pi/2; %入射角度
lambda = 500e-9; %波長
k0= (2pi)/lambda;
Thickness = 50e-9;%金屬膜厚度nm
%折射率
n_prism = 1.5; %棱鏡
n_metal = (0.13455 + 3.9865i); %金屬
figure
for n = 1:0.1:1.5%待測介質
%介電常數，折射率的平方
dielectric_prism = (n_prism).^2;
dielectric_metal = (n_metal).^2;
dielectric= (n).^2;
k_prism = k0sqrt(dielectric_prism).cos(angles);
k_metal = k0 sqrt(dielectric_metal - (dielectric_prism.(sin(angles).^2)));
k = k0sqrt(dielectric - (dielectric_prism.*(sin(angles).^2)));
Z_prism = dielectric_prism./k_prism;
Z_metal = dielectric_metal./k_metal;
Z = dielectric./k;
R12 = (Z_prism -Z_metal)./(Z_prism+Z_metal);
R23 = (Z_metal -Z)./(Z_metal+Z);
r = (R12+(R23.*exp(2i.*k_metal.*Thickness)))./(1+(R12.*R23.*exp(2i.*k_metal.Thickness)));
R = abs?.^2;
plot(angles180/pi,R);
hold on
end
legend(‘1’,‘1.1’,‘1.2’,‘1.3’,‘1.4’,‘1.5’);
xlabel(‘入射角度’);ylabel(‘反射系數’);

波長調制

如圖，當入射角度固定為65°時，改變入射光波長，待測介質折射率是1,21,1.22,1.23,1.24,1.25,1.26 時，對應的共振波長依次是1000nm,900nm,850nm,800nm,700nm,620nm,600nm左右。

clear
clc
angles = 0.36pi; %入射角度
lambda = (400:1800).1e-9; %波長
k0= (2pi)./lambda;
Thickness = 50e-9;%金屬膜厚度nm
%折射率
n_prism = 1.5; %棱鏡
n_metal = (0.155 + 3.33i); %金屬
%figure
for n = 1.2:0.01:1.26%待測介質
%介電常數，折射率的平方
dielectric_prism = (n_prism).^2;
dielectric_metal = (n_metal).^2;
dielectric= (n).^2;
k_prism = k0sqrt(dielectric_prism).cos(angles);
k_metal = k0 sqrt(dielectric_metal - (dielectric_prism.(sin(angles).^2)));
k = k0sqrt(dielectric - (dielectric_prism.*(sin(angles).^2)));
Z_prism = dielectric_prism./k_prism;
Z_metal = dielectric_metal./k_metal;
Z = dielectric./k;
R12 = (Z_prism -Z_metal)./(Z_prism+Z_metal);
R23 = (Z_metal -Z)./(Z_metal+Z);
r = (R12+(R23.*exp(2i.*k_metal.*Thickness)))./(1+(R12.*R23.*exp(2i.*k_metal.*Thickness)));
R = abs?.^2;
plot(lambda ,R);
hold on
end
legend(‘1.2’,‘1.21’,‘1.22’,‘1.23’,‘1.24’,‘1.25’,‘1.26’);
xlabel(‘波長’);ylabel(‘反射系數’);

波長調制比角度調制更為靈敏，進一步改進靈敏度大家可以試試復合金屬膜。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的SPR传感原理（附Matlab源码）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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