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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. 电磁波 共振条件. 1. 2. 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. 相同的频率和波矢(即波长). 传播方向一致. - PowerPoint PPT Presentation
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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
Page 2
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。
传播方向一致
相同的频率和波矢(即波长)1
2
与光的全反射有关
电磁波共振条件
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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
n1>n2 ,且入射角大于临界角 时会发生全反射现象,此时,满足
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)。
2c
1
arcsinn
n
2
1
sinn
n
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 '
''
1n
2n x
z
O
如图所示,入射面为 xOz,则有
x x xK K' K''
当发生全反射时 , 2
1
sinn
n '' 是一个复数
2 2
2 2 2 2 2 2 22 2
1 1
sin sinz x
n nK'' K'' K'' K K K
n n
Page 7
证明由于全反射时
2
22
1
sinn
n
2
2 2
1
sinz
nK'' iK i
n
2
2 2
1
sinn
Kn
E''
E''
( ) ( )( )0 0 0
x z xi t K'' x K'' z i t K'' xi t K'' r zE'' E'' e E'' e E'' e e
于是可将上式改写为
式中
将式代入电场矢量函数 可得
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。
Page 8
结论1n
2n
x
z 等相面
等幅面
( )0
xi t K'' xzE'' E'' e e 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 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)。
2
2 2
1
1 1
sin
mdn
Kn
1e
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倏逝波的应用
近场光学显微镜
光纤倏逝波生物传感器
表面等离子体光学器件
倏逝波
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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
冰
液体
水
气体 水汽
等离子体
电离气体
温度00C 1000C 100000C
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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。
x
z
dxk
spk
Incident TM wave Reflected wave
0
m
1
0n
mn
1n
Metal
Dielectric 1
Dielectric 2
入射光波的波矢在 x方向上的分量可以表示为
0 sinxk c
12
1
1
msp
m
kc
spxk k 共振 ^_^
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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。
(A) Kretschman (B) Otto
Prism 0
Metal m
Sample 1
0
kev
kspx
z
Prism 0
Sample 1
Metal m
0
k'ev
ksp
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
68 72 76 80 84
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
C=0% C=10% C=20% C=40% C=80% C=100%
Ref
lect
ivit
y
Resonance angle
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SPR传感器结构图
SPR传感器结构图
Page 24
Light source
Polarizer
Flow cellInlet Outlet
Ag film
Focus len
Fiber optic spectrometer
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。
谢谢!谢谢!THANK YOU !THANK YOU !
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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子体,电荷密度比金属中的低。
金属板中电子气的位移
(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
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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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金属材料的选择金属材料的选择