论文总字数：20461字

目录

1 引言 4

1.1表面等离子体共振的简介 4

1.2表面等离子体共振传感器 4

2 数值计算方法 5

2.1 FDTD计算方法 5

2.2 RCWA计算方法 8

2.2.1 理论结构模型 8

2.2.2 TM偏振下的平面衍射理论 9

2.2.3 TE偏振下的平面衍射理论 13

3 计算模型及数值分析 15

3.1 金属-电介质结构的表面等离子体 15

3.2 全反射和倏逝波 18

3.3 表面等离子体共振的激发 19

3.4三层膜结构反射系数的计算 20

3.5数值分析 21

4 总结与讨论 22

4.1总结 22

4.2讨论 22

参考文献 23

致谢 24

基于表面等离等离子体的高灵敏度折射率传感器

刘瑞英

, China

Abstract: This paper describes the physical meaning of surface plasmon and surface plasmon resonance, is widely used in the scientific community, the medical community, food safety and chemical substances and the like. Surface plasmon resonance itself has the advantage that it has a very important application prospect. Surface plasmon resonance has unique optical characteristics, under certain conditions the metal film thickness, the refractive index of the medium refractive index in a range of variations is sensitive With this structure the outer layer sensitive nature of the medium refractive index, surface plasmon can be made resonance sensor. This article also describes in detail the structural principle of surface plasmon resonance sensor, advantages and future development trends and important. By FDTD and RCWA two algorithms and a detailed analysis of metal - dielectric structure analysis, constructed prism - gold - water simple theoretical model to calculate the surface plasmon resonance sensor sensitivity. Experimental study found that when the water is easy to change the concentration of the corresponding change in refractive index of the plasma resonance sensor sensitivity produce significant effect, followed by an analysis of the causes and variation caused by changes in value.

Key words: Surface plasmon; high sensitivity; sensor; FDTD method; RCWA method; polarization; diffraction plane; metal - dielectric; reflection

1 引言

1.1表面等离子体共振的简介

表面等离子体是一种电磁表面波，它是一种TM偏振的电磁场在表面处场强最大，并且在垂直于界面方向的两种不同介质中是呈指数衰减场，同时能够被电子和光波激发。因此，表面等离子体成为了纳米光电子技术方向的一个重要研究领域，许多高端技术科研以及高科技从事人员对它有极其高的关注度。表面等离子体共振就是在金属与电介质分界面处，一束光源照射在金属表面从而引起自由电子发生集体振荡的一种物理现象。因为它对附着在金属表面的电介质折射率变化非常敏感，所以可用于跟踪金属表面与电介质折射率相关的一些物理过程变化及生物化学反应；并且它也可以产生很强大的局域电场，因此表面等离子体共振技术已经在许多高灵敏生物化学传感器的领域得到了广泛应用。表面等离子体共振技术近些年作为一种新型的技术在我们的日常生活中应用是特别广泛的，食品安全检测，生命科学和生物医学及化学领域都有很广泛的研究和应用。表面等离子共振技术既是一项新型的具有高灵敏度的生物传感技术,在环境污染物的监测中，比如一些化学酚类、农业使用药物、沉积的毒素、还有重金属以及多种有机、无机物等,都具有十分重要的应用价值；也在近些年来也逐步成为了生物医学和化学领域的重要检测技术之一，它简单便捷、灵敏度高、反应速度快的优点可以使实践过程中节约所需样品资源，同时也不需要对样品进行标记、可以对样品进行立刻检验，实时检测、不需要对样品进行预约处理。随着现代检测技术的快速发展和应用要求的不断提高,对于检测器械灵敏度和分辨率的要求无疑是重中之重,与此同时表面等离子体共振技术的微型集成化，也成为了表面等离子体传感检测技术的发展趋势。表面等离子体还可以利用它自身通过电磁波引起的金属表面的疏密电子振荡效应,能精确地检测出物体表面纳米级内折射率的改变，制造出精确而灵敏的传感器，其中具有代表性的是光纤表面等离子体共振传感器,它所具备的一系列基于表面等离子体共振的优点,已经成为科研新的研究方向和热点。

1.2表面等离子体共振传感器更多还原

当一束TM 光波（p 偏振光）入射到电介质-金属界面时，将会在金属表面激发产生表面极化电荷，这些表面极化电荷会沿着金属表面传播，从而形成具有纵波形式的震荡，即SPW 。由于入射光和SPW两者都具有TM 偏振的特性，当入射光频率和界面方向波矢分量与SPW 相同时，便能够激发表面等离子体共振，这时入射光被吸收的同时反射光能量也急剧下降出现共振吸收峰，当依附在金属表面的待介质折射率发生变化时吸收峰的位置便会随之发生变化，这就是表面等离子体传感器的基本原理。表面等离子体共振传感器的主要指标有：灵敏度、分辨率、稳定性、检测范围、响应时间等，其中灵敏度和分辨率是决定表面等离子体共振传感器性能的关键性指标。在此需要说明的是，直接检测参量与待测参量之间的比值就是表面等离子体共振传感器的灵敏度，其中为直接检测参量，在角度调制方式和波长调制的方式中，分别为共振角和共振波长。n 为待测量，一般是指电介质折射率。等离子体共振传感器的高灵敏度、无需提前标记及检测效率高的优点使得它在生命、科学、安全、药物、环境等领域都具有了非常重要的应用价值。在此需要说一下的是光纤表面等离子体共振传感器，它是一种将光纤技术与表面等离子体共振技术结合在一起制造出来的一种完美的新型传感器，不但装置经济、轻盈,而且还可以实现多个探头同时测量，它体积轻便,检测样品少、不用标记、适合远程测量、便于多个参量同时传感等一系列优点,已经成为国际新的研究热点。在制备表面等离子体共振传感器的过程中，金和银是最常用的两种金属,金膜稳定性好不容易被氧化，并且不会和各种无机离子在体系中发生化学反应。银膜的优点是灵敏度高，并且它的灵敏度高于金的灵敏度，但在实验过程中易氧化脱落，一般实验研究采用金膜银膜结合方法可有效放大传感器的响应信号。本文为了方便起见，采用的是金膜。

2 数值计算方法

2.1 FDTD计算方法

FDTD计算方法是一种采用网格划分方式的空间离散方式，它可以把带有时间变量的Maxwell方程组在空间进行差分离散分处理，然后得到粒子与导体发生作用时的时域响应。时域有限差分发采用的是将带电粒子置于场内，在空间领域里，使得电厂和磁场进行跳跃式的交替变换，再通过时间上的变化来模拟电磁场的变化，以方便实现计算数值的目的，使用该方法时，需要考虑到带电粒子的几何形状，粒子大小带电量等多方面的问题，以便于提高计算的精准度。时间有限差分发的优点是可以直接进行场分布的模拟，省略了很多不必要的环节，同时精确度也比较高，是学术界目前使用比较广泛的数值方法之一。

将带电粒子放入场中，带电粒子将会与电磁场相互发生作用，设第个带电粒子的电量为，质量，所受力，位置为；在相对论修正前后，粒子的速度分别表示为和，相对论修正因子用表示。则其对应的方程组分别为：