表面等離激元共振2011424200221.doc

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1、實驗報告評分：自動化系09級學號PB09210319姓名王振法日期2011-4-14實驗名稱：表面等離激元共振法測液體折射率實驗實驗目的：1、了解全反射中倏逝波的概念2、觀察表面等離激元共振現象，研究其共振角隨折射率的變化3、進一步熟悉和了解分光計的調節(jié)和使用4、了解和掌握共振角測量的方法，以及計算折射率的原理和方法實驗原理：在電磁場的作用下，材料中的自由電子會在金屬表面發(fā)生集體振蕩，產生表面等離激元；共振狀態(tài)下電磁場的能量被有效轉換為金屬表面自由電子的集體振動能。當入射光從折射率為n1的光密介質照射到折射率為n2的光疏介質，當入射角θ大于臨界角θc時

2、,將發(fā)生全反射，在全內反射（TIR）條件下，入射光的能量沒有損失，但光的電場強度在界面處并不立即減小為零，而會滲入光疏介質中產生消失波，光波并不是絕對地在界面上被全反射回光密介質，而是滲入光疏介質大約一個波長的深度，并沿著界面流過波長量級距離重新返回光密介質，沿著反射光方向射出。這個沿著光疏介質表面流動的波稱為倏逝波。對于倏逝波在金屬內部的分布是隨著與表面垂直距離z的增大而呈指數衰減，即(1)其中(是光在真空中的波長)是倏逝波滲入光疏介質的有效深度(光波的電場衰減至表面強度的1/e時的深度)?？梢娙肷涞挠行疃萪不受入射光偏振化程度的影響，除→，→∞的

3、特殊條件外（為布儒斯特角），d隨著入射角的增加而減小，其大小是的數量級甚至更小。因為倏逝波的存在，在界面處發(fā)生全內反射的光線，實際上在光疏介質中產生大小約為半個波長的位移后又返回光密介質。表面等離激元共振（SPR）是倏逝波以衰減全反射的方式激發(fā)表面等離激元波（SPW），當SPW波矢與倏逝波的波矢大小相等、方向相同時，產生共振，導致入射光的反射光強降至最低。如果在兩種介質界面之間存在幾十納米的金屬薄膜，那么全反射時產生的倏逝波的P偏振分量（P波）將會進入金屬薄膜，與金屬薄膜中的自由電子相互作用，激發(fā)出沿金屬薄膜表面?zhèn)鞑サ谋砻娴入x子體波（SPW）。當入射光

4、的角度或波長到某一特定值時，入射光的大部分會轉換成SPW的能量，從而使全反射的反射光能量突然下降，在反射譜上出現共振吸收峰，此時入射光的角度或波長稱為SPR的共振角或共振波長。SPR的共振角或共振波長與金屬薄膜表面的性質密切相關，如果在金屬薄膜表面附著被測物質（一般為溶液或者生物分子），會引起金屬薄膜表面折射率的變化，從而SPR光學信號發(fā)生改變，根據這個信號，就可以獲得被測物質的折射率或濃度等信息，達到生化檢測的目的。表面等離激元(SP)是沿著金屬和電介質之間的界面?zhèn)鞑サ碾姶挪ㄋ纬傻摹．擯偏振光以表面等離激元共振角入射到界面上，將發(fā)生衰減全反射：入射

5、光被耦合到表面等離激元內，光能被大量吸收，在這個角度上由于發(fā)生了表面等離激元共振從而使得反射光顯著減少。光在界面處發(fā)生全內反射時的倏逝波，可以引發(fā)金屬表面的自由電子產生表面等離激元。在入射角或波長為適當值時，表面等離激元與倏逝波的頻率相等，兩者之間發(fā)生共振。入射光被吸收，使反射光能量急劇下降，在反射光譜上出現共振吸收峰，這就是表面等離激元共振現象。在入射光波長固定的情況下，通過改變入射角，也可以實現角度指示型表面等離激元共振。實驗報告評分：自動化系09級學號PB09210319姓名王振法日期2011-4-14Kx電介質金屬膜柱面棱鏡反射光入射光KspS

6、PW如圖所示，當P偏振光（振動方向在入射面內）通過柱面棱鏡照射到金屬表面時，入射光波矢k在x方向上的投影為　(2)圖一表面等離激元共振示意圖式中，是入射光在自由空間中的波矢，是入射光在自由空間中的波長，是柱面棱鏡的折射率（折射率有實部、虛部，本實驗所指折射率均指折射率的實部），為入射角。根據Maxwell方程，可以推導出表面等離激元波的波矢ksp（如圖所示）的模為(3)其中，是金屬的介電常數，ns是待研究介質的折射率。當kx＝ksp時，入射光波就會在金屬表面形成表面等離激元共振?！　　　?4)上式就是產生SPR現象的條件。采用角度指示型檢測方式，調節(jié)入

7、射角θ1，反射光強最低時對應的共振角θsp滿足：　(5)由于所采用的金屬介電常數的實部絕對值遠大于虛部絕對值，則公式（5）可進一步簡化為：　　　　(6)根據（6）式可知待測液體折射率和共振角之間的關系，實驗中可利用該式測量不同液體的折射率。儀器基本原理圖如圖二所示。結合分光計的精度和角度讀數的方便性，能夠精確的找到待測溶液所對應的共振角。圖二基于分光計的SPR傳感器原理圖實驗內容及步驟：實驗報告評分：自動化系09級學號PB09210319姓名王振法日期2011-4-141.傳感中心調整，利用右圖所示的工具，最終調整到轉動載物臺，激光始終打在頂尖III上

8、。2.樣品測量讀數（1）測量純凈水（2）測量不同濃度乙醇溶液實驗數據及數據處理：1.純水：角度