王秋鵬

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710014）

在生物學(xué)領(lǐng)域中，許多生物大分子以及結(jié)構(gòu)相關(guān)的特征振動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)的能級(jí)，都處在太赫茲頻率中，因此，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用與研究來講，太赫茲相應(yīng)的光譜分析技術(shù)等，在生物學(xué)以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用和研究比較常見。太赫茲光譜分析技術(shù)等在生物學(xué)以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用，很早就有實(shí)現(xiàn)。比如，21世紀(jì)初，就有學(xué)者就有學(xué)者實(shí)現(xiàn)利用太赫茲光譜對(duì)于生物分子中的集體振動(dòng)模式進(jìn)行研究分析，還有學(xué)者使用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)進(jìn)行DNA成分的遠(yuǎn)紅外介電函數(shù)測(cè)量研究，隨后，一些學(xué)者紛紛實(shí)現(xiàn)了利用差分太赫茲時(shí)域光譜進(jìn)行生物單細(xì)胞層微小改變的測(cè)量分析與研究等。雖然太赫茲技術(shù)在生物以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用研究有了很大的突破發(fā)展，但是由于水與太赫茲輻射之間的影響作用，使得在進(jìn)行一些含水沖液的近生理?xiàng)l件的生物樣品額分析研究應(yīng)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(zhì)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(dǎo)耦合等耦合作用下，實(shí)現(xiàn)激發(fā)產(chǎn)生。本文主要通過對(duì)于經(jīng)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(shí)現(xiàn)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(shù)介紹

表面等離激元共振是一種存在于技術(shù)與電介質(zhì)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(dǎo)的耦合作用下，實(shí)現(xiàn)振蕩作用的激發(fā)產(chǎn)生。在可見光波段，基于界面響應(yīng)分析以及反射測(cè)量技術(shù)的表面等離激元共振傳感器，在生物學(xué)以及醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，并且這種表面等離激元共振傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于液體樣品等的電磁響應(yīng)性質(zhì)進(jìn)行測(cè)量分析。

表面等離激元共振傳感器在實(shí)際工作應(yīng)用中，主要是通過入射光對(duì)于棱鏡金屬薄膜以及電介質(zhì)界面的激發(fā)作用，產(chǎn)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(zhì)性質(zhì)的耦合條件實(shí)現(xiàn)時(shí)，入射光就會(huì)與表面等離子波發(fā)生共振作用，從而改變發(fā)射光的性質(zhì)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于電磁響應(yīng)信息的測(cè)量分析實(shí)現(xiàn)。通常情況下，根據(jù)光波以及表面等離激元相互作用的實(shí)際性質(zhì)情況，表面等離激元共振傳感器的工作方式，主要有角度調(diào)制以及波長(zhǎng)調(diào)制、相位調(diào)制、強(qiáng)度調(diào)制、偏離調(diào)制等?？傊?，基于冷靜耦合作用的表面等離激元共振傳感器技術(shù)，在可見光波段的應(yīng)用中，已經(jīng)是一項(xiàng)比較成熟的技術(shù)，但是在太赫茲波段的工作運(yùn)行應(yīng)用，還需要進(jìn)行加強(qiáng)研究與實(shí)現(xiàn)。

2 表面等離激元共振傳感器的計(jì)算方法

在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于棱鏡耦合作用下激發(fā)產(chǎn)生的表面等離激元共振作用，可以通過應(yīng)用菲涅爾多層反射原理進(jìn)行計(jì)算與分析研究。比如，在進(jìn)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(jì)算中，如果假設(shè)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(shù)以及相位變化情況等因素，那么，對(duì)于反射波振幅的計(jì)算可以通過下列公式（1）進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

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(shù)的計(jì)算公式，如下公式（2）所示。

根據(jù)上述計(jì)算公式，在表面等離激元共振傳感器工作計(jì)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(jìn)行金屬界面等離激元振蕩作用的產(chǎn)生。并且在進(jìn)行棱鏡耦合作用的表面等離激元共振傳感器計(jì)算中，對(duì)于金屬介電常數(shù)需要通過Drude模型進(jìn)行計(jì)算得出，它通常是一個(gè)個(gè)體參數(shù)的形式，并且在表面等離激元共振傳感器計(jì)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(jù)上述對(duì)于棱鏡耦合作用的表面等離激元共振傳感器計(jì)算方法的分析論述，在進(jìn)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(jì)算方法，在對(duì)于需求分析因素的計(jì)算情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)于太赫茲表面等離激元共振傳感器的分析實(shí)現(xiàn)。

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(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)，可以選擇使用不包含頻率因素作用的棱鏡以及電介質(zhì)樣品響應(yīng)參數(shù)，并且在一定光頻值和太赫茲參數(shù)值情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jì)算分析。根據(jù)上述分析方法以及實(shí)際計(jì)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(yùn)行中，只有金屬樣品的介電常數(shù)結(jié)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(shù)值計(jì)算公式。

根據(jù)上述計(jì)算公式（3）可以對(duì)于光頻波段情況下，表面等級(jí)激元共振傳感器模型中金屬樣品的介電常數(shù)值進(jìn)行計(jì)算求得。而太赫茲波段情況下，由于金屬樣品的介電常數(shù)值不同，同時(shí)又由于太赫茲波段情況下，不同角度的反射信號(hào)會(huì)呈現(xiàn)出一個(gè)比較突出的共振增加現(xiàn)象，因此，根據(jù)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(guān)系，就可以由下列公式（4）進(jìn)行太赫茲波段下金屬樣品折射率的計(jì)算確定。

如下圖1所示，是根據(jù)上述計(jì)算公式計(jì)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(guān)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(guān)系示意圖

3.2 金屬薄膜性質(zhì)、厚度以及折射樣品響應(yīng)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(zhì)的棱鏡耦合作用中，會(huì)對(duì)于表面等離激元共振作用產(chǎn)生不同的影響，從而呈現(xiàn)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(zhì)的金屬材料為例，假設(shè)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(zhì)對(duì)于表面等離激元共振傳感器工作性質(zhì)的影響作用，同樣，當(dāng)以Cr作為表面等離激元共振傳感器的金屬膜層時(shí)，假設(shè)每個(gè)金屬膜層的厚度不同，那么，根據(jù)實(shí)際的計(jì)算分析結(jié)果可知，不同金屬膜層厚度對(duì)于表面等離激元共振傳感器的工作特征也會(huì)產(chǎn)生一定的影響作用，

此外，為了進(jìn)行不同折射率樣品對(duì)于表面等離激元共振傳感器工作性質(zhì)的影響分析，通過對(duì)于四種不同折射率樣品的模擬量進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量，假設(shè)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(zhì)的影響作用示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

總之，進(jìn)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(duì)于太赫茲表面等離激元共振傳感器在實(shí)際中應(yīng)用推廣以及適用性分析等，都有著積極的作用和意義。同時(shí)，根據(jù)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(jìn)行太赫茲波以及樣品直接接觸情況的測(cè)量分析，有利于避免水對(duì)于太赫茲波吸收作用的不利影響，具有積極作用和意義。

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