表面等离子体子波光导传感器.pptx

表面等离子体子共振

（SurfacePlasmonResonance）

光波导传感器2006年3月

electron——电子photon——光子magnon——磁子proton——质子neutron——中子phonon——声子plasmon——表面等离子体子，是指金属表面沿着金属和介质界面传播的电子疏密波，由金属和空气界面上表面电磁波的激发而产生。plasmon具有波粒二象性,其粒子性体现为它是具有能量的量子,其波动性体现为它是在薄膜表面上传播的电子疏密波。

金属对光频有强力的吸收作用，电磁场仅在很薄的一层内以衰减场形式存在；用于集成光学器件，介质波导中沉积金属膜或在金属膜基底上沉积介质波导层；在光频电场的作用下，在金属层内可激发出等离子体振荡，即在金属和介质的交界面出现等离子体表面波（SurfacePlasmaWave-SPW）；010203金属包层平板介质波导

金属的光频特性金属的电容率（介电常数）是复数，实部为负，且绝对值大于虚部：光在金属中传播必须考虑电导率的影响，麦克斯韦尔方程：波动方程：

复折射率：电场矢量写成：代入复折射率：折射率的实部决定波的相速度，虚部决定媒质的吸收而产生的波振幅的衰减，因此称虚部为消光系数或衰减系数。衰减系数如虚部等于0.005的金属，波长为1.0?m的光传输距离为36?m。等离子体：宏观上呈电中性、体内所含正电荷数与负电荷数几乎处处相等的多粒子系。金属中的自由电子被局限在正离子构成的晶体点阵内作无规则运动，单位体积内自由电子所带的负电荷数与正离子所带的正电荷数相等，呈等离子状态。

等离子体表面波及存在的条件指在一定条件下，出现在金属与电介质分界面上传播的平面电磁波，其振幅随离开分界面的距离按指数衰减。什么是等离子体表面波SPW（SurfacePlasmaWave）？01SPW一定是TM波（P偏振光）；只存在于两侧电容率符号相反的分界面，在光频范围内，金属和电介质的分界面存在SPW；SPW传播常数：SPW存在条件：02

表面等离子体子共振SPR

（SurfacePlasmonResonance）利用光在发生全反射时的消逝波,激发金属表面的自由电子产生等离子体表面波。当消逝波与等离子体表面波传播常数相等时发生共振，称此时的入射角为共振角。设入射光角频率为?，在棱镜底面全反射时的入射角为?，则消逝波在界面x方向的传播常数为：金属表面等离子波传播常数：共振角x

衰减全反射ATR

(AttenuatedTotalReflection-ATR)一旦入射P偏振光与SPW耦合并产生共振，SPW可增强几百倍，称为表面等离子体共振SPR。衰减全反射(ATR)：因消失波的存在,光线在界面处的全内反射将产生一个位移D(古斯-汉森位移),即将沿X轴方向传播一定距离。若光疏介质对光线没有吸收并无其它损耗,则全内反射强度并不会被衰减,消失波沿光疏介质表面在x方向传播约半个波长,再返回光密介质。反之,光能会损失,这样引起的能量损失称为衰减全反射(ATR)

衰减全反射ATR

(AttenuatedTotalReflection-ATR)共振时界面处的全反射条件将被破坏,呈现全反射衰减现象,使反射光能量急剧下降,在反射光谱上出现共振峰，即反射率出现最小值，称为衰减全反射ATR。影响SPR的因素：金属膜表面介质的光学特性、厚度；入射光的入射角、波长和偏振状态；

等离子体表面波激发方式空间光与SPW耦合的典型结构：Otto结构：金属和全内反射表面之间有约几十纳米的介质间隙,金属可以是半无限宽。入射光在棱镜底面发生全内反射,而消失波作用于间隙与金属界面,并在此界面发生SPR。Kretschmann结构：采用真空蒸镀,磁控溅射等方法直接在全内反射表面镀一层几十纳米厚的金属，应用最广。消失波透过金属薄膜,在金属膜外侧界面处发生表面等离子体子共振。棱镜金属介质Otto结构棱镜金属膜Kretschmann结构

表面等离子体子其他激发方式two-layerKretschmanngeometry,diffractiononagrating,excitationwithaSNOMprobe,diffractiononsurfacefeatures.

SPR传感器的实际应用SPR传感器可获取紧靠在金属薄膜表面介质层的光学常数,从而进一步得到介质的其它信息，如：由膜厚估计成膜物质的结构排列；由介质的折射率、膜厚度、吸收系数计算吸附物质的质量,进而求得相互作用的生物大分子之间键的参数；主要用于生物科学和生命科学领域：抗原-抗体反应测定：用于免疫分析，选择不同抗体用