王秋鹏

（西安铁路职业技术学院，陕西西安 710014）

在生物学领域中，许多生物大分子以及结构相关的特征振动与转动的能级，都处在太赫兹频率中，因此，对于实际应用与研究来讲，太赫兹相应的光谱分析技术等，在生物学以及医学领域中的应用和研究比较常见。太赫兹光谱分析技术等在生物学以及医学领域的研究与应用，很早就有实现。比如，21世纪初，就有学者就有学者实现利用太赫兹光谱对于生物分子中的集体振动模式进行研究分析，还有学者使用太赫兹时域光谱技术进行DNA成分的远红外介电函数测量研究，随后，一些学者纷纷实现了利用差分太赫兹时域光谱进行生物单细胞层微小改变的测量分析与研究等。虽然太赫兹技术在生物以及医学领域中的应用研究有了很大的突破发展，但是由于水与太赫兹辐射之间的影响作用，使得在进行一些含水冲液的近生理条件的生物样品额分析研究应用具有很大的局限性。表面等离激元共振是一种存在于金属与电介质界面的电荷密度振荡本征模式，主要是通过入射光，在棱镜耦合以及光栅耦合、波导耦合等耦合作用下，实现激发产生。本文主要通过对于经过棱镜耦合的太赫兹表面等离激元共振传感器工作特性的分析，实现太赫兹表面等离激元共振传感器的分析探讨。

1 表面等离激元共振传感器技术介绍

表面等离激元共振是一种存在于技术与电介质界面的电荷密度振荡本征模式，它主要是通过入射光在棱镜以及光栅、波导的耦合作用下，实现振荡作用的激发产生。在可见光波段，基于界面响应分析以及反射测量技术的表面等离激元共振传感器，在生物学以及医学研究领域的应用十分广泛，并且这种表面等离激元共振传感器，能够实现对于液体样品等的电磁响应性质进行测量分析。

表面等离激元共振传感器在实际工作应用中，主要是通过入射光对于棱镜金属薄膜以及电介质界面的激发作用，产生表面等离激元，并且表面等离激元与棱镜金属薄膜后的样品电介质性质的耦合条件实现时，入射光就会与表面等离子波发生共振作用，从而改变发射光的性质，并且能够实现对于电磁响应信息的测量分析实现。通常情况下，根据光波以及表面等离激元相互作用的实际性质情况，表面等离激元共振传感器的工作方式，主要有角度调制以及波长调制、相位调制、强度调制、偏离调制等。总之，基于冷静耦合作用的表面等离激元共振传感器技术，在可见光波段的应用中，已经是一项比较成熟的技术，但是在太赫兹波段的工作运行应用，还需要进行加强研究与实现。

2 表面等离激元共振传感器的计算方法

在实际应用中，对于棱镜耦合作用下激发产生的表面等离激元共振作用，可以通过应用菲涅尔多层反射原理进行计算与分析研究。比如，在进行棱镜耦合作用下表面等离激元共振传感器中反射波振幅的分析计算中，如果假设棱镜耦合作用的表面等离激元共振传感器的入射波振幅为AI，此外，已知总振幅反射系数以及相位变化情况等因素，那么，对于反射波振幅的计算可以通过下列公式（1）进行实现。

同理，棱镜耦合作用的表面等离激元共振传感器振幅反射系数的计算公式，如下公式（2）所示。

根据上述计算公式，在表面等离激元共振传感器工作计算过程中，可以知道棱镜耦合作用情况下，只有TM入射波能够进行金属界面等离激元振荡作用的产生。并且在进行棱镜耦合作用的表面等离激元共振传感器计算中，对于金属介电常数需要通过Drude模型进行计算得出，它通常是一个个体参数的形式，并且在表面等离激元共振传感器计算中，金属层的表面厚度通常都大于10nm。

3 太赫兹表面等离激元共振传感器的分析

根据上述对于棱镜耦合作用的表面等离激元共振传感器计算方法的分析论述，在进行太赫兹表面等离激元共振传感器的分析中，可以通过上述计算方法，在对于需求分析因素的计算情况下，实现对于太赫兹表面等离激元共振传感器的分析实现。

3.1 太赫兹表面等离激元共振传感器特征与原理分析

为了实现对于太赫兹表面等离激元共振传感器基本特征与工作原理的分析，尤其是可见光波段与太赫兹波段不同波段作用下，表面等离激元共振传感器工作特征的分析实现，可以选择使用不包含频率因素作用的棱镜以及电介质样品响应参数，并且在一定光频值和太赫兹参数值情况下，实现对于两种不同情况下的表面等离激元共振传感器工作特征的计算分析。根据上述分析方法以及实际计算分析情况可以知道，在两种不同波段情况下，表面等离激元共振传感器的工作运行中，只有金属样品的介电常数结果不相同。如下公式（3）所示，为光频波段情况下，金属样品的介电常数值计算公式。

根据上述计算公式（3）可以对于光频波段情况下，表面等级激元共振传感器模型中金属样品的介电常数值进行计算求得。而太赫兹波段情况下，由于金属样品的介电常数值不同，同时又由于太赫兹波段情况下，不同角度的反射信号会呈现出一个比较突出的共振增加现象，因此，根据公式（3）中确定的光频波段下反射极小角度情况与太赫兹波段情况下共振角的关系，就可以由下列公式（4）进行太赫兹波段下金属样品折射率的计算确定。

如下图1所示，是根据上述计算公式计算得出的太赫兹波段情况下，不同偏振入射太赫兹波的反射率、透射率与入射角的变化关系示意图。

图1 不同偏振入射太赫兹波的反射率、透射率与入射角关系示意图

3.2 金属薄膜性质、厚度以及折射样品响应影响分析

在太赫兹波段情况下，表面等离激元共振传感器在不同金属样品性质的棱镜耦合作用中，会对于表面等离激元共振作用产生不同的影响，从而呈现出不同的表面等离激元共振作用。以Ag、Pt、Cu以及Cr四种不同性质的金属材料为例，假设这四种金属样品的镀膜层厚度一致，并且在棱镜以及样品的折射率一定下，金属薄膜性质对于表面等离激元共振传感器工作性质的影响作用，同样，当以Cr作为表面等离激元共振传感器的金属膜层时，假设每个金属膜层的厚度不同，那么，根据实际的计算分析结果可知，不同金属膜层厚度对于表面等离激元共振传感器的工作特征也会产生一定的影响作用，

此外，为了进行不同折射率样品对于表面等离激元共振传感器工作性质的影响分析，通过对于四种不同折射率样品的模拟量进行试验测量，假设金属样品的薄膜层为铬，并且金属膜层的厚度值一定且已知，那么如下图2所示，为四种不同样品折射率的影响曲线示意图。

图2 不同金属薄膜性质的影响作用示意图

4 结束语

总之，进行太赫兹表面等离激元共振传感器工作特征与原理的分析探讨，对于太赫兹表面等离激元共振传感器在实际中应用推广以及适用性分析等，都有着积极的作用和意义。同时，根据上文的论述也可以知道，太赫兹表面等离激元共振传感器在这种工作方式下，进行太赫兹波以及样品直接接触情况的测量分析，有利于避免水对于太赫兹波吸收作用的不利影响，具有积极作用和意义。

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