基于LabVIEW的表面等離激元共振測量液體折射率

林偉華,楊 晨,南 凡,黃行康

(武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心,湖北武漢430072)

基于LabVIEW的表面等離激元共振測量液體折射率

林偉華,楊 晨,南 凡,黃行康

(武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心,湖北武漢430072)

利用LabV IEW編寫硬件控制軟件,搭建了基于表面等離激元共振原理的光強(qiáng)探測型液體折射率測量實(shí)驗(yàn)平臺.實(shí)驗(yàn)測量純水和純酒精的表面等離激元共振的共振角分別與理論計(jì)算數(shù)據(jù)相吻合,證明該系統(tǒng)測量的共振角數(shù)值能正確地反映液體折射率的變化.利用該系統(tǒng)測量了不同濃度的酒精-水混合液的折射率.

表面等離激元共振;折射率;LabV IEW

1 引 言

表面等離激元(surface p lasmon polariton,SPPs)是一種局限在金屬與電介質(zhì)界面的表面電磁波,表現(xiàn)為金屬表面電子的集體振蕩行為,具有突破光傳播衍射極限的能力,被譽(yù)為最有希望的納米集成光波導(dǎo)的信息載體[1].當(dāng)入射電磁波與SPPs之間滿足能量(頻率)與動(dòng)量(波矢)匹配條件,入射電磁波的能量將會(huì)大量地耦合到SPPs,并激發(fā)表面電子的集體振蕩,該現(xiàn)象稱為表面等離 激 元 共 振 (surface p lasmon resonance,SPR)[2].由于SPR激發(fā)條件對金屬表面電介質(zhì)折射率的變化非常敏感,因此SPR已成為一種高精度測量氣體、液體折射率的方法.目前,基于光強(qiáng)探測型的SPR技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于化學(xué)和生物方面的測量[3-4].

LabV IEW是一款采用 G語言進(jìn)行代碼編寫,面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)能力較強(qiáng)的編程軟件,用戶可以充分利用個(gè)人計(jì)算機(jī)的功能,實(shí)現(xiàn)硬件控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)表達(dá)等工作,目前基于LabV IEW編寫的可視化界面控制程序軟件已廣泛應(yīng)用于各種類型的物理實(shí)驗(yàn)[5-8].

我們以LabV IEW 8.5為編程工具,綜合控制電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺和數(shù)據(jù)采集卡,搭建了適于大學(xué)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的光強(qiáng)探測型SPR液體折射率測量平臺.

2 光強(qiáng)探測型SPR折射率測量基本原理

Kreschmann法激發(fā)SPPs如圖1所示.

圖1 Kreschmann法激發(fā)SPPs示意圖

p偏振光束(磁場分量 H垂直于xz平面)通過棱鏡入射到50 nm厚的銀薄膜上表面,銀膜下表面與無限厚介質(zhì)1接觸,當(dāng)入射角

時(shí)[式中:ng為棱鏡的折射率,Re(εm)為銀膜電容率實(shí)部,nd為介質(zhì)1的折射率],將滿足SPR共振條件,此時(shí)入射光將激發(fā)并有大量能量轉(zhuǎn)移給金屬與介質(zhì)1界面的SPPs,反射光強(qiáng)急劇下降,通過測量反射光強(qiáng)隨入射角變化的曲線,在共振角附近出現(xiàn)反射谷,如圖2所示.由理論計(jì)算可知,當(dāng)介質(zhì)1的折射在一定范圍內(nèi)變化時(shí),共振角θ隨介質(zhì)1折射率線性變化(如圖3所示).因此,通過測量反射率隨入射角改變的曲線來確定共振角,同時(shí)利用共振角與折射率的線性關(guān)系可求出介質(zhì)1的折射率[2].

圖2 反射光強(qiáng)隨入射角的變化

圖3 SPR共振角隨介質(zhì)1折射率變化

3 儀器選擇與光路搭建

由上述測量原理可知,該方法所需的光學(xué)元件非常普通,但對光路的調(diào)節(jié)要求很高,適合面向物理專業(yè)高年級本科生開設(shè)該實(shí)驗(yàn).

利用表面等離激元共振法精確地測量出介質(zhì)1折射率的變化,精確測量共振角的變化是關(guān)鍵.選用大恒光電 GCD-0301M型電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(最小轉(zhuǎn)角為0.000 5°)為角度控制設(shè)備,National Instrument公司USB-6008型數(shù)據(jù)采集卡為光電探頭的光電壓采集設(shè)備,并且選用高性能計(jì)算機(jī)(奔騰雙核2.5 GHz,2 G內(nèi)存)控制旋轉(zhuǎn)臺和采集卡同步工作.

圖4為由 He-Ne激光器、偏振片、直角三棱鏡(重火石玻璃632.8 nm折射率為1.712)、凸透鏡、銀膜(50 nm厚)以及光電探頭等搭建的實(shí)際光路示意圖,其中棱鏡1的頂角必須固定在電動(dòng)轉(zhuǎn)臺的圓心處,光電探頭置于凸透鏡焦平面,激光的入射方向和出射方向平行,通過控制電動(dòng)臺的旋轉(zhuǎn)改變?nèi)肷浣嵌?因?yàn)樵趯?shí)際操作過程利用圖1中的半圓柱棱鏡很難實(shí)現(xiàn)光束始終對準(zhǔn)圓心,因此我們沒有選用這種入射方式.而當(dāng)只有1個(gè)棱鏡(即只有棱鏡1)的情況,必須在界面2處粘一層全反射膜,且反射光與入射光在同一半空間,當(dāng)入射角度較大時(shí),兩平行光線間距較小,會(huì)受到元件實(shí)際尺寸的影響.因此在實(shí)際光路中選擇2個(gè)棱鏡組合的方式,該方法不但滿足出射光束與入射光平行,并且在不同的半空間互不影響,在實(shí)際的光路中兩棱鏡的相對位置還可進(jìn)行調(diào)整.

圖4 實(shí)際光路示意圖

4 控制軟件設(shè)計(jì)

利用LabV IEW 8.5設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制軟件,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)的同步控制,旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)和復(fù)位的精確控制,采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示,以及數(shù)據(jù)的存儲.為滿足本科實(shí)驗(yàn)的要求,軟件設(shè)計(jì)功能全面,界面簡單易懂,可操作性強(qiáng).整個(gè)程序的控制界面如圖5所示.

圖5 控制程序界面

4.1 轉(zhuǎn)角指示

實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)角 φ,規(guī)定:入射光垂直于三棱鏡1的非直角邊時(shí)轉(zhuǎn)角為0°;逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)角為正,順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為負(fù).單擊“位置置零”按鈕將當(dāng)前電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺位置設(shè)為0°.

4.2 參數(shù)設(shè)定

設(shè)定電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)角 φ、轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)動(dòng)精度λ等參數(shù).

4.3 轉(zhuǎn)角控制與修正

1)單步執(zhí)行

利用循環(huán)連續(xù)向電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺發(fā)送轉(zhuǎn)動(dòng)指令,循環(huán)次數(shù)為n=φ/λ,而每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)指令給電動(dòng)轉(zhuǎn)臺的脈沖數(shù)為λ/0.000 5.在2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)指令之間需加入10-2s量級的延時(shí),以保證電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺有足夠時(shí)間完成每個(gè)指令的脈沖,否則會(huì)出現(xiàn)漏脈沖現(xiàn)象,導(dǎo)致實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)的角度小于設(shè)定值.由于采集卡的采集速度遠(yuǎn)大于電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺單指令轉(zhuǎn)動(dòng)速度,采取對單指令過程中采集數(shù)據(jù)求平均值作為同步輸出結(jié)果.

2)轉(zhuǎn)角修正

由計(jì)算機(jī)1次向電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺傳輸(φ+1)/0.000 5個(gè)反向轉(zhuǎn)動(dòng)的連續(xù)脈沖,停止后再發(fā)送2 000個(gè)正向脈沖,該過程轉(zhuǎn)臺快速旋轉(zhuǎn),但不采集數(shù)據(jù),可以消除旋轉(zhuǎn)臺的正向反向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的螺距差,精確歸位后入射光垂直于棱鏡1的非直角邊.

3)暫停執(zhí)行

用于在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中遇到特設(shè)情況隨時(shí)暫停程序,但一般不建議隨意暫停程序執(zhí)行.

4)轉(zhuǎn)角歸零

根據(jù)轉(zhuǎn)角指示的角度將電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)至0°定義的位置.

4.4 圖像顯示

在2個(gè)直角坐標(biāo)系中分別實(shí)時(shí)顯現(xiàn)光電信號隨轉(zhuǎn)角φ和銀膜表面入射角θ改變的曲線.由于鍍銀載玻片安裝在三棱鏡的直角邊上,故而銀膜表面入射角θ與當(dāng)前轉(zhuǎn)角φ的關(guān)系為θ=45°+arcsin.測得的電壓-角度數(shù)據(jù)可以用“保存數(shù)據(jù)”按鈕保存為 Excel文檔,用于后期數(shù)據(jù)處理.

5 平臺測試及不同濃度酒精-水混合液折射率測量

以純水和純酒精2種液體作為測試樣品,實(shí)驗(yàn)測得的反射率隨入射角變化的曲線分別為圖6中的a和c 2條曲線,可得共振角分別為55.2°和57.2°,2種液體的共振角差值為2°.取銀膜在632.8 nm 處的電容率為εAg= -18.272+0.49i[9],純水和純酒精的折射率分別為1.333和1.361(溫度為20℃時(shí)),利用傳輸矩陣法[10]計(jì)算得到的反射率曲線分別為圖6中的b和d兩曲線,理論計(jì)算的共振角分別為55.1°和57.1°,共振角差值為2°,可見該平臺實(shí)際測量的共振角差值與理論值非常相符,因此該平臺測量的數(shù)據(jù)能夠正確反映出樣品折射率的變化.

圖6 實(shí)驗(yàn)測量與理論計(jì)算反射率隨入射角變化曲線

利用該平臺測量了以不同體積比配置的多種濃度酒精-水混合液的SPR反射率-入射角曲線,表1給出了多種濃度c(酒精所占混合液體積的比值)的混合液對應(yīng)經(jīng)多次測量取平均的共振角.利用共振角與介質(zhì)1折射率的線性變化關(guān)系(如圖2所示)計(jì)算得到的各濃度混合液對應(yīng)的折射率如表1所示.

表1 不同濃度混合液的共振角及折射率

6 結(jié)束語

基于LabV IEW編寫硬件控制軟件,自行搭建了光強(qiáng)探測型表面等離激元共振液體折射率測量平臺.實(shí)驗(yàn)測量的純水和純酒精的共振角分別與理論計(jì)算數(shù)據(jù)吻合,證明該系統(tǒng)測量的共振角數(shù)值能正確地反映液體折射率的變化,并利用該系統(tǒng)測量了不同濃度酒精-水混合液的折射率.

[1]汪國平.表面等離子體激元納米集成光子器件[J].物理,2006,35(6):502-507.

[2]高治文,陳麗娜,趙景星,等.表面等離激元共振[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),1994,7(2):1-4.

[3]陳煥文,牟穎,趙曉君,等.表面等離子體子共振傳感器Ⅲ[J].分析儀器,2001(2):3-10.

[4]楊軍,翟盛杰,侯文生,等.利用表面等離子激元共振生物傳感器研究聚合酶與敏感表面上自組裝的DNA的相互作用[J].功能材料與器件學(xué)報(bào),2008,14(2):530-533.

[5]余觀夏,王軍,阮錫根.基于聲卡和LabV IEW測量金屬的動(dòng)態(tài)楊氏模量[J].物理實(shí)驗(yàn),2007,27(8):6-9.

[6]許巍,熊永紅,李定國,等.基于LabV IEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的混沌電路實(shí)驗(yàn)[J].物理實(shí)驗(yàn),2009,29(2):20-22.

[7]胡志丹,張鈺,房熊俊,等.基于LabV IEW的衍射自動(dòng)演示儀的設(shè)計(jì)[J].物理實(shí)驗(yàn),2009,29(3):14-16.

[8]魏勝非,李忠民,許德玄.基于LabV IEW的發(fā)光微生物測量實(shí)驗(yàn)[J].物理實(shí)驗(yàn),2009,29(3):17-19.

[9]Johnson PB,Christy RW.Op tical constantsof the noble metals[J].Phys.Rev.B,1972,6(12):4370-4379.

[10]王輝,李永平.用特征矩陣法計(jì)算光子晶體的帶隙結(jié)構(gòu)[J].物理學(xué)報(bào),2001,50(11):2172-2178.

[責(zé)任編輯:任德香]

LabVIEW programmed liquid’s refraction index measuring system based on surface plasmon resonance

L IN Wei-hua,YANG Chen,NAN Fan,HUANG Xing-kang
(Center of Physics Teaching and Experiment,School of Physics and Technology,Wuhan University,Wuhan 430072,China)

The intensity-type liquid’s refraction index measuring system based on the p rincip le of surface p lasmon resonance was assembled.The software w ith simp ly operative interface to control the hardware was p rogrammed by LabV IEW.The accuracy of the system was confirmed by the good agreement of the experimental measured and theo retical calculated resonance angles of pure water and pure ethanol,respectively.And the refractive indices of several mixtures of water and ethanol w ith different concentrations were obtained by this system.

surface p lasmon resonance;refraction index;LabV IEW

O435.1

A

1005-4642(2011)04-0001-04

“第6屆全國高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)”論文

2010-06-04;修改日期:2010-11-01

林偉華(1977-),男,浙江開化人,武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院講師,博士,從事微納光子學(xué)研究.