Transcript ppt - 现代物理研究所

表面等离子体共振现象与应用
的探究
湖州师范学院
吴平辉
1. 表面等离子体共振简介
2. 从电磁理论探究全反射
3. 表面等离子体共振原理
4. 表面等离子体共振应用
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一、表面等离子体共振简介
表面等离子体共振（Surface plasmon resonance ，SPR ），
又称等离子激元共振，是一种物理光学现象。
与光的全反射有关
电磁波
共振条件
1
相同的频率和波矢（即波长）
2
传播方向一致
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3
基于SPR原理的SPR传感技术是20世纪90年代发展起来的，生
命科学、医疗检测、药物筛选、食品检测、环境检测等领域有广
泛应用的一种新技术。（ DNA与蛋白质之间、蛋白质分子之间以
及药物—蛋白质、核酸—核酸、抗原—抗体等生物分子之间的相
互作用）
发展简史
 1902年，Wood在光学实验中发现SPR现象
 1941年，Fano解释了SPR现象
 1971年，Kretschmann结构为SPR传感器奠定了基础
 1982年，Lundström将SPR用于气体的传感（第一次）
 1983年，Liedberg将SPR用于IgG与其抗原的反应测定
 1987年，Knoll等人开始SPR成像研究
 1990年，Biacore AB公司开发出首台商品化SPR仪器
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二、从电磁理论探究全反射
当光波从折射率为n1的介质射向折射率为n2的介质时，若
n2
n1>n2，且入射角大于临界角 c  arcsin 时会发生全反射现象，
n1
此时，满足
n2
sin  
n1
实验表明，在发生全反射时，光波并不是绝对地在界面上
被全部反射回n1介质，而是透入n2介质很薄的一层表面（约一
个波长）并沿着界面传输一段距离（波长量级），最后返回n1
介质。这种存在于n2介质中的界面附近的表面波，称为倏逝波
（衰逝波、渐消波、消逝波、隐失波）。
证明??
电磁场边界条件—连续
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证明
由矢量形式折反射定律：
K  r  K'  r  K''  r
如图所示，入射面为xOz，则有
n1
Kx  K'x  K''x
n2
n2
当发生全反射时 sin  
，'' 是一个复数
n1
K'' z  K'' 2  K'' x 2

'
O ''
z
2
 n  2



n
2
2
2
2
2
2
2
 K    K sin   K    sin  
 n1 

 n1 
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x
证明
由于全反射时
2
 n2 
2

sin

 
 n1 
于是可将上式改写为
2
n 
n 
K'' z  iK sin 2    2   i 式中   K sin 2    2 
E''
 n1 
 n1 
2
将式代入电场矢量函数 E'' 可得
i (t  K'' r )
E''  E''0e
i (t  K''x x K''z z )
 E''0e
 z i (t  K''x x )
 E''0e
e
只能取负号才满足物理要求，因为取正号则振幅要随着距离z
的增加而趋于无穷，不可能发生的状况。
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结论
E''  E''0e
 z i (t  K'' x x )
e
n1
1、该波是沿着入射面的介质边界
（即x方向）传输（行波），且振
幅随着与界面的距离z做指数衰减
的特殊波动，故称作倏逝波。
2、穿透深度：把振幅值衰减到原
振幅值的 e 1 时对应的z值定义为倏
逝波的穿透深度dm 。
3、倏逝波的等幅面和等相面不一
致，且两者相互垂直—非均匀波。
4、倏逝波沿x方向传播的相速度比
普通平面波在介质n2 中沿x方向传
播的相速度要慢（慢波）。
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x
n2
等幅面
z
dm 
1


等相面
1
n 
K sin 2    2 
 n1 
2
倏逝波的应用
近场光学
显微镜
倏逝波
光纤倏逝波
生物传感器
表面等离子
体光学器件
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3.什么是等离子体？
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3.什么是等离子体？
固体
液体
气体
等离子体
冰
水
水汽
电离气体
00C
1000C
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100000C
温度
等离子体定义
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等离子体振荡频率
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表面等离子体振荡
在金属表面，电子的横向（垂直于表面）运动受到表面的阻挡，
因此在表面上形成了电子浓度的梯度分布，并由此形成局限于表面
上的等离子体振荡
表面等离子体波。
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表面等离子体波的特征
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根据麦克斯韦方程（对于半无限金属表面的色散关系）和波矢
在通过电场界面时连续，求解可得
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表面等离子体波色散曲线
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表面等离子体波色散曲线
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表面等离子体波色散曲线
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 光波的色散曲线，与表面等离子体波不同，光波波矢与介
质有关，且是入射角的函数，通过改变入射角可以改变其
色散曲线的位置。
Incident TM wave
入射光波的波矢在x方向上
的分量可以表示为
kx 

c
  1 m 
ksp  

c  1   m 

Dielectric 1
 0 sin 
Reflected wave
n0
0
nm
m
n1
1
kx
Metal
d
ksp
1
2
Dielectric 2
z
kx  ksp
共振^_^
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x
表面等离子体共振仪器
Kretschmann 和Otto采用棱镜耦合的全内反射方法，实
现了用光波激发表面等离子体振动并产生共振。
0
Prism 0
Metal m
Sample 1
0
kev
ksp
k'ev
ksp
x
z
(A) Kretschman
Prism 0
Sample 1
Metal m
(B) Otto
当倏逝波与表面等离子波发生共振时，检测到的反射光强会大幅度地减
弱。能量从光子转移到表面等离子，入射光的大部分能量被表面等离子波
吸收，使得反射光的能量急剧减少。
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SPR传感器实验研究
1.0
Reflectivity
0.8
0.6
C=0%
C=10%
C=20%
C=40%
C=80%
C=100%
0.4
0.2
68
72
76
Resonance angle
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80
84
SPR传感器结构图
SPR传感器结构图
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Focus len
Polarizer
Ag film
Light source
Inlet
Flow cell
Fiber optic
spectrometer
Outlet
Computer
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SPR传感器分类
 角度指示型：固定入射光波长，观测反射光归一化强度达
到最小时的入射角；
 波长指示型：固定入射光的入射角，测量反射光归一化强
度达到最小时的波长；
 光强指示型：固定入射光的入射角和波长，测量反射光的
归一化光强；
 相位指示型：固定入射光的角度和波长，测量入射光和反
射光的相位差。
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谢谢！
THANK YOU !
表面等离子体波的两个特征（需改）
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表面等离子体波振荡的损耗
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表面等离子体波的传播长度
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表面等离子体波传播长度的估算
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表面等离子体波三个特征长度
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金属表面等离子体
在金属中，价电子为整个晶体
所共有，形成所谓费米电子气。价
电子可在晶体中移动，而金属离子
则被束缚于晶格位置上，但总的电
子密度和离子密度是相同的，从整
体来说金属是电中性的。人们把这
种情况形象地称为“金属离子浸没
于电子的海洋中”。这种情况和气
体放电中的等离子体相似，因此可
以把金属看作是一种电荷密度很高
金属板中电子气的位移
的低温（室温）等离子体，而气体
放电中的等离子体是一种高温等离 （上）金属离子（+）位于“电子海洋”中（灰
色背景），（下）电子集体向右移动
子体，电荷密度比金属中的低。
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偏振光
 一束光倾斜照射在介质表面，入射光和介质表面法线构成
了入射面。入射光波的电场可分解为相互正交的偏振光分
量。一个为在入射面内的横磁波，将其称为TM波或者P
偏振波（平行于入射面，垂直于界面）；另一个为垂直于
入射面，与界面平行的横电波，将其称为TE波或者S偏振
波。由于S偏振光的电场与界面平行，因此电子的运动并
无受到障碍，不会激励起表面等离子体波，所以不讨论。
P偏振光的电场垂直于界面，可感生表面电荷，并形成局
限在表面的表面等离子体波。因此，产生表面等离子体共
振的必要条件之一，是入射光波要经过偏振器起偏，且需
要在光路中有效利用P偏振光。
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金属材料的选择
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