表面等离子体波的特征现代物理研究所.pptx

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1、1.表面等离子体共振简介表面等离子体共振简介2.从电磁理论探究全反射从电磁理论探究全反射3.表面等离子体共振原理表面等离子体共振原理4.表面等离子体共振应用表面等离子体共振应用第1页/共34页一、表面等离子体共振简介一、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。传播方向一致传播方向一致 相同的频率和波矢（即波长）相同的频率和波矢（即波长）12与光的全反射有关与光的全反射有关电磁波电磁波共振条件共振条件第2页/共34页 基于SPR原理的SPRSPR传感技术是20世纪90年代发展起来的，生命科学、医

2、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，Lundstrm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仪器第3页/共34页二、从电磁理论探究全反射二、从电磁理论探

3、究全反射 当光波从折射率为当光波从折射率为n1的介质射向折射率为的介质射向折射率为n2的介质时，若的介质时，若n1n2，且且入入射射角角 大大于于临临界界角角 时时会会发发生生全全反反射射现现象象，此时，满足此时，满足 实实验验表表明明，在在发发生生全全反反射射时时，光光波波并并不不是是绝绝对对地地在在界界面面上上被被全全部部反反射射回回n1介介质质，而而是是透透入入n2介介质质很很薄薄的的一一层层表表面面（约约一一个个波波长长）并并沿沿着着界界面面传传输输一一段段距距离离（波波长长量量级级），最最后后返返回回n1介介质质。这这种种存存在在于于n2介介质质中中的的界界面面附附近近的的表表面面波

4、波，称称为为倏倏逝逝波波（衰逝波、渐消波、消逝波、隐失波）。（衰逝波、渐消波、消逝波、隐失波）。证明明?电磁场边界条件电磁场边界条件连续连续第4页/共34页证明证明由矢量形式折反射定律：如图所示，入射面为如图所示，入射面为xOz，则有，则有当发生全反射时当发生全反射时 ，是一个复数是一个复数 第5页/共34页证明证明由于全反射时由于全反射时于是可将上式改写为于是可将上式改写为式中式中将式代入电场矢量函数将式代入电场矢量函数 可得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的的增加而趋于无穷，不可能发生的状况。增加而趋于无穷，不可

5、能发生的状况。第6页/共34页结论结论1、该该波波是是沿沿着着入入射射面面的的介介质质边边界界（即即x方方向向）传传输输（行行波波），且且振振幅幅随随着着与与界界面面的的距距离离z做做指指数数衰衰减减的特殊波动，故称作的特殊波动，故称作倏逝波倏逝波。2、穿穿透透深深度度：把把振振幅幅值值衰衰减减到到原原振振幅幅值值的的 时时对对应应的的z值值定定义义为为倏倏逝波的穿透深度逝波的穿透深度dm。3、倏倏逝逝波波的的等等幅幅面面和和等等相相面面不不一一致，且两者相互垂直致，且两者相互垂直非均匀波非均匀波。4、倏倏逝逝波波沿沿x方方向向传传播播的的相相速速度度比比普普通通平平面面波波在在介介质质n2中

6、中沿沿x方方向向传传播的相速度要慢（播的相速度要慢（慢波慢波）。）。第7页/共34页倏逝波的应用倏逝波的应用近场光学近场光学显微镜显微镜光纤倏逝波光纤倏逝波生物传感器生物传感器表面等离子表面等离子体光学器件体光学器件倏逝波倏逝波第8页/共34页3.什么是等离子体？第9页/共34页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00C1000C100000C第10页/共34页等离子体定义第11页/共34页等离子体振荡频率第12页/共34页表面等离子体振荡 在在金金属属表表面面，电电子子的的横横向向（垂垂直直于于表表面面）运运动动受受到到表表面面的的阻阻挡挡，因因此此在在表表面

7、面上上形形成成了了电电子子浓浓度度的的梯梯度度分分布布，并并由由此此形形成成局局限限于于表表面面上的等离子体振荡上的等离子体振荡 表面等离子体波表面等离子体波。第13页/共34页表面等离子体波的特征第14页/共34页 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，求解可得第15页/共34页表面等离子体波色散曲线第16页/共34页表面等离子体波色散曲线第17页/共34页表面等离子体波色散曲线第18页/共34页光波的色散曲线，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。入射光波的波矢在入射光波的波矢在x方向上方向

8、上的分量可以表示为的分量可以表示为 共振共振_第19页/共34页表面等离子体共振仪器KretschmannKretschmann 和和OttoOtto采用棱镜耦合的全内反射方法，实现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。了用光波激发表面等离子体振动并产生共振。(A)Kretschman (B)OttoPrism 0Metal mSample 10kevkspxzPrism 0Sample 1Metal m0kevksp 当当倏倏逝逝波波与与表表面面等等离离子子波波发发生生共共振振时时，检检测测到到的的反反射射光光强强会会大大幅幅度度地地减减弱弱。能能量量从从光

9、光子子转转移移到到表表面面等等离离子子，入入射射光光的的大大部部分分能能量量被被表表面面等等离离子子波波吸吸收，使得反射光的能量急剧减少。收，使得反射光的能量急剧减少。第20页/共34页SPR传感器实验研究第21页/共34页SPR传感器结构图SPR传感器结构图第22页/共34页第23页/共34页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。第24页/共34页谢谢！

10、THANK YOU!第25页/共34页表面等离子体波的两个特征（需改）第26页/共34页表面等离子体波振荡的损耗第27页/共34页表面等离子体波的传播长度第28页/共34页表面等离子体波传播长度的估算第29页/共34页表面等离子体波三个特征长度第30页/共34页金属表面等离子体 在金属中，价电子为整个晶体在金属中，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

11、这体来说金属是电中性的。人们把这种情况形象地称为种情况形象地称为“金属离子浸没金属离子浸没于电子的海洋中于电子的海洋中”。这种情况和气。这种情况和气体放电中的等离子体相似，因此可体放电中的等离子体相似，因此可以把以把金属看作是一种电荷密度很高金属看作是一种电荷密度很高的低温（室温）等离子体的低温（室温）等离子体，而气体，而气体放电中的等离子体是一种高温等离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。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（上）金属离子（+）位于）位于“电子海洋电子海洋”中（灰中（灰色背景），（下）电子集体向右移动色背景），（下）电子集体向右

12、移动第31页/共34页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。第32页/共34页金属材料的选择金属材料的选择第33页/共34页感谢您的观看。第34页/共34页