表面等离子体子光波导传感器优秀PPT.ppt

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1、electron 电子电子photon 光子光子magnon 磁子磁子 proton 质子质子neutron 中子中子phonon 声子声子 plasmon 表面等离子体子，表面等离子体子，是指金属表面沿着金属和是指金属表面沿着金属和介质界面传播的电子疏密波介质界面传播的电子疏密波，由，由金属和空气界面上表面电金属和空气界面上表面电磁波的激发而产生。磁波的激发而产生。plasmon具有波粒二象性具有波粒二象性,其粒子性体现为它是具有能量的其粒子性体现为它是具有能量的量子量子,其波动性体现为它是在薄膜表面上传播的电子疏密其波动性体现为它是在薄膜表面上传播的电子疏密波。波。金属包金属包层平板介平板

2、介质波波导用于集成光学器件，介用于集成光学器件，介质波波导中沉中沉积金属膜或在金属膜基金属膜或在金属膜基底上沉底上沉积介介质波波导层；金属金属对光光频有有强力的吸取作用，力的吸取作用，电磁磁场仅在很薄的一在很薄的一层内内以衰减以衰减场形式存在；形式存在；在光在光频电场的作用下，在金属的作用下，在金属层内可激内可激发出等离子体振出等离子体振荡，即在金属和介即在金属和介质的交界面出的交界面出现等离子体表面波（等离子体表面波（Surface Plasma Wave-SPW）；）；金属的光金属的光频特性特性金属的金属的电容率（介容率（介电常数）是复数，常数）是复数，实部部为负，且确定，且确定值大大于虚

3、部：于虚部：光在金属中光在金属中传播必需考播必需考虑电导率的影响，麦克斯率的影响，麦克斯韦尔方程：方程：波波动方程：方程：复折射率：复折射率：电场矢量写成：矢量写成：代入复折射率：代入复折射率：折射率的折射率的实部确定波的相速度，虚部确定媒部确定波的相速度，虚部确定媒质的吸取而的吸取而产生的波振幅的衰减，因此称虚部生的波振幅的衰减，因此称虚部为消光系数或衰减系数。消光系数或衰减系数。衰减系数衰减系数 如虚部等于如虚部等于0.005 的金属，波的金属，波长为1.0 m的光的光传输距离距离为36 m。等离子体：宏等离子体：宏观上呈上呈电中性、体内所含正中性、体内所含正电荷数与荷数与负电荷荷数几乎到

4、数几乎到处相等的多粒子系。相等的多粒子系。金属中的自由金属中的自由电子被局限在正离子构成的晶体点子被局限在正离子构成的晶体点阵内作无内作无规则运运动，单位体位体积内自由内自由电子所子所带的的负电荷数与正离子荷数与正离子所所带的正的正电荷数相等，呈等离子状荷数相等，呈等离子状态。等离子体表面波及存在的条件等离子体表面波及存在的条件什么是等离子体表面波什么是等离子体表面波SPWSPW（Surface Plasma Wave Surface Plasma Wave）？）？指在确定条件下，出现在金属与电介质分界面上传播的平指在确定条件下，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

5、距离按指数衰减。面电磁波，其振幅随离开分界面的距离按指数衰减。SPWSPW存在条件：存在条件：SPWSPW确定是确定是TMTM波（波（P P偏振光）；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，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金属和电介质的分界面存在SPWSPW；SPWSPW传播常数：传播常数：表面等离子体子表面等离子体子共振共振SPRSPR （Surface Plasmon Resonance）利用光在发生全反射时的消逝波利用光在发生全反射时的消逝波,激发金属表面的自由电激发金属表面的自由电子产生等离子体表面波。子产生等离子体表面波。

6、当当消逝波与等离子体表面波传播常数消逝波与等离子体表面波传播常数相等时发生共振，称相等时发生共振，称此时的入射角为共振角。此时的入射角为共振角。设入射光角频率为设入射光角频率为，在棱镜底面全反射时的入射角为，在棱镜底面全反射时的入射角为，则消逝波则消逝波在界面在界面x方向的传播常数为：方向的传播常数为：金属表面等离子波传播常数：金属表面等离子波传播常数：共振角共振角x衰减全反射衰减全反射ATR (Attenuated Total Reflection-ATR)一旦入射一旦入射P P偏振光与偏振光与SPWSPW耦合并产生共振，耦合并产生共振，SPWSPW可增加几百倍，可增加几百倍，称为表面等离子

7、体共振称为表面等离子体共振SPR SPR。衰减全反射衰减全反射(ATR)(ATR)：因消逝波的存在因消逝波的存在,光线在界面处的全内反射将产生一个位移光线在界面处的全内反射将产生一个位移D(D(古斯古斯-汉森位移汉森位移),),即将沿即将沿X X 轴方向传播确定距离。若光轴方向传播确定距离。若光疏介质对光线没有吸取并无其它损耗疏介质对光线没有吸取并无其它损耗,则全内反射强度并不则全内反射强度并不会被衰减会被衰减,消逝波沿光疏介质表面在消逝波沿光疏介质表面在x x 方向传播约半个波长方向传播约半个波长,再返回光密介质。反之再返回光密介质。反之,光能会损失光能会损失,这样引起的能量损失这样引起的能

8、量损失称为衰减全反射称为衰减全反射(ATR)(ATR)衰减全反射衰减全反射ATR (Attenuated Total Reflection-ATR)共振时界面处的全反射条件将被破坏共振时界面处的全反射条件将被破坏,呈现全反射衰减现呈现全反射衰减现象象,使反射光能量急剧下降使反射光能量急剧下降,在反射光谱上出现共振峰，即在反射光谱上出现共振峰，即反射率出现最小值，称为衰减全反射反射率出现最小值，称为衰减全反射ATR。影响影响SPRSPR的因素：的因素：金属膜表面介质的光学特性、厚度；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；入射光的入射角、波长和偏振状态；等离子体表面波等离

9、子体表面波激激发方式方式空空间光与光与SPW耦合的典型耦合的典型结构：构：Otto结构：金属和全内反射表面之构：金属和全内反射表面之间有有约几十几十纳米的介米的介质间隙隙,金属可以是半无限金属可以是半无限宽。入射光在棱。入射光在棱镜底面底面发生全内反生全内反射射,而消逝波作用于而消逝波作用于间隙与金属界面隙与金属界面,并在此界面并在此界面发生生SPR。Kretschmann结构：接受真空蒸构：接受真空蒸镀,磁控磁控溅射等方法干脆射等方法干脆在全内反射表面在全内反射表面镀一一层几十几十纳米厚的金属，米厚的金属，应用最广。消用最广。消逝波透逝波透过金属薄膜金属薄膜,在金属膜外在金属膜外侧界面界面处

10、发生表面等离子生表面等离子体子共振。体子共振。棱镜金属介质金属介质OttoOtto结构结构结构结构棱镜金属膜KretschmannKretschmann结构结构结构结构表面等离子体子其他激表面等离子体子其他激发方式方式(a)two-layer Kretschmann geometry,(b)excitation with a SNOM probe,(c)diffraction on a grating,(d)diffraction on surface features.SPRSPR传感器的感器的实际应用用SPRSPR传传感器可感器可获获得得紧紧靠在金属薄膜表面介靠在金属薄膜表面介质层质层的光

11、学常数的光学常数,从而从而进进一步得一步得到介到介质质的其它信息，如：的其它信息，如：由膜厚估由膜厚估计计成膜物成膜物质质的的结结构排列；构排列；由介由介质质的折射率、膜厚度、吸取系数的折射率、膜厚度、吸取系数计计算吸附物算吸附物质质的的质质量量,进进而求得相而求得相互作用的生物大分子之互作用的生物大分子之间键间键的参数；的参数；主要用于生物科学和生命科学主要用于生物科学和生命科学领领域：域：抗原抗原-抗体反抗体反应测应测定：用于免疫分析，定：用于免疫分析，选择选择不同抗体用于治不同抗体用于治疗疗、检测检测、诊诊断。断。蛋白蛋白质质相互作用分析；相互作用分析；DNA DNA 与蛋白与蛋白质质相

12、互作用分析，此前始相互作用分析，此前始终终没有没有简简便快捷的方法；便快捷的方法；实时监测实时监测DNA DNA 分子分子间间的相互作用：的相互作用：SPRSPR不不仅仅可用于探可用于探讨讨蛋白蛋白质质-蛋白蛋白质质,蛋白蛋白质质-DNA-DNA 之之间间的相互作用的相互作用,也可用于探也可用于探讨讨核酸核酸间间的相互作用的相互作用,实时实时追追踪核酸反踪核酸反应应的全的全过过程程,包括基因装配、包括基因装配、DNA DNA 合成延合成延长长、DNA DNA 的特异切割。的特异切割。药药物物筛选筛选及及鉴鉴定；定；药药物物筛选筛选是是SPR SPR 技技术术的另一个的另一个应应用用热热点。点。

13、SPR SPR 生物生物传感器感器检测过程：检测过程：将一种具特异识别属性的分子即配体固定于金属膜表面；将一种具特异识别属性的分子即配体固定于金属膜表面；在复合物形成或解离过程中在复合物形成或解离过程中,金属膜表面溶液的折射率发生变金属膜表面溶液的折射率发生变更；更；SPRSPR实时检测折射率变更，监控溶液中的被分析物与该配体实时检测折射率变更，监控溶液中的被分析物与该配体的结合过程；的结合过程；特点：实时过程检测、无需标记、耗样最少等。特点：实时过程检测、无需标记、耗样最少等。SPR传感器基本感器基本结构与耦合方式构与耦合方式基本组成：基本组成：光波导耦合器件光波导耦合器件金属膜金属膜分子敏

14、感膜分子敏感膜耦合方式：耦合方式：Krestschmann棱镜型Otto棱镜型光纤在线传输式光纤终端反射式光栅型金属膜分子敏感膜光纤在线传输式光纤终端反射式光栅型SPR检测方式、传感器灵敏度 检测方式：检测方式：角度调制：固定角度调制：固定in，变更，变更in波长调制：固定波长调制：固定in，变更，变更in强度调制：固定强度调制：固定in、in，变更光强，变更光强相位调制：固定相位调制：固定in、in，测相位变更，测相位变更传感器灵敏度：传感器灵敏度：特征参数：共振角特征参数：共振角(或共振波长或共振波长)、共振半峰宽度、共振半峰宽度(共振峰高共振峰高一半处的波宽一半处的波宽)和共振深度和共振

15、深度(共振峰的高度共振峰的高度,即相对能量反射即相对能量反射率率)。特征参数取决于金属薄膜及其表面介质的光学参数特征参数取决于金属薄膜及其表面介质的光学参数:膜厚度膜厚度d（一般在（一般在55nm 左右）、折射率左右）、折射率n 和吸取系数和吸取系数k。角度角度调制原理制原理SPRSPR传感器感器单色光源，即固定波长；单色光源，即固定波长；SPRSPR对附着在金属薄膜表面的介质折射率特别敏感对附着在金属薄膜表面的介质折射率特别敏感,当当表面介质的属性变更或者附着量变更时，共振角将表面介质的属性变更或者附着量变更时，共振角将不同。因此，不同。因此，SPRSPR谱（共振角对时间的变更）能够反谱（共

16、振角对时间的变更）能够反映与金属膜表面接触的体系的变更。映与金属膜表面接触的体系的变更。波波长调制原理制原理SPRSPR传感器感器固定入射角而变更波长；固定入射角而变更波长；光源发出的复色光，经准直后变成平行偏振光以确定的角光源发出的复色光，经准直后变成平行偏振光以确定的角度照射，在棱镜底部全反射，携带被测信息输出经透镜进度照射，在棱镜底部全反射，携带被测信息输出经透镜进光纤，由光栅对不同波长分光（光栅单色仪），光纤，由光栅对不同波长分光（光栅单色仪），CCDCCD检测不检测不同波长光的强度。同波长光的强度。相位相位调制原理制原理SPRSPR传感器感器横向塞曼激光器能干脆输出正横向塞曼激光器能

17、干脆输出正交偏振态、低频差的线偏振光，交偏振态、低频差的线偏振光，P P 偏振光能激发等离子体共振；偏振光能激发等离子体共振；S S 偏振光与偏振光与P P 偏振光之间的频偏振光之间的频差稳定，却可以细分提高相位差稳定，却可以细分提高相位辨别率；辨别率；SPRSPR共振发生时共振发生时,P,P 偏振光的相偏振光的相位变更位变更,而而S S 偏振光几乎不变偏振光几乎不变,两重量之间产生相位差。相位两重量之间产生相位差。相位差随生物分子与传感层上的分差随生物分子与传感层上的分子结合强度和速率变更。子结合强度和速率变更。利用双频干涉原理检测相位变利用双频干涉原理检测相位变更。更。1：横向塞曼稳频激光

18、器；：横向塞曼稳频激光器；7、13：偏振片；：偏振片；8、12：光电接收器；：光电接收器；9、11：前置放大器：前置放大器10：相位计：相位计14：计算机：计算机26：SPR传感器传感器SPR 传感器其他感器其他应用用 其他其他应用用：航天医学、航天医学、生物芯片（生物芯片（利用SPR 相位调制检测蛋白质芯片）、）、扫扫描近描近场场光学光学显显微技微技术术、薄膜光学和膜厚薄膜光学和膜厚测测量、量、全息成像技全息成像技术术、Q Q开关、开关、精密角度精密角度测测量等量等领领域域。SPR应用于近场扫描光学显微技术应用于近场扫描光学显微技术NSOM NSOM 的光纤微探针尖端无法做得很细的光纤微探针

19、尖端无法做得很细,因此辨别率只能达因此辨别率只能达到十几纳米到十几纳米,不能象不能象STMSTM和和AFMAFM那样达到原子级辨别率。那样达到原子级辨别率。SPW SPW 在金属表面传播时在金属表面传播时,遇到杂质、缺陷等将会发生散射遇到杂质、缺陷等将会发生散射,此处共振的此处共振的SPWSPW作圆锥辐射作圆锥辐射,圆锥顶角与入射角相同。圆锥顶角与入射角相同。若若AFMAFM的实心针尖在金属表面扫描的实心针尖在金属表面扫描,将作为一个散射中心将作为一个散射中心,辐辐射出的圆锥形光携带针尖处的信息射出的圆锥形光携带针尖处的信息.由于圆锥辐射光比较微弱由于圆锥辐射光比较微弱,一般用一个锁相放大器以

20、一般用一个锁相放大器以 确定频率驱动微悬臂确定频率驱动微悬臂,并检并检 测光电转换器件的输出信测光电转换器件的输出信 号中的同频成分号中的同频成分.薄膜光学和膜厚薄膜光学和膜厚测量量在在KretschmannKretschmann型型SPRSPR配置中的金属膜上覆盖待配置中的金属膜上覆盖待测薄膜薄膜,依据依据测得的得的ATR ATR 曲曲线,可以用双可以用双层膜菲涅膜菲涅尔公式公式拟合合计算待算待测薄膜的光学参数和膜厚。薄膜的光学参数和膜厚。如如图配置可通配置可通过银膜和膜和导电玻璃向液晶施加不同的玻璃向液晶施加不同的电压，通通过测量和量和计算算,可以得出不同可以得出不同电压下液晶薄膜的厚度和

21、介下液晶薄膜的厚度和介电常数常数,并借以推断不同并借以推断不同电压下液晶分子的排列方式。下液晶分子的排列方式。与其他膜厚与其他膜厚测量方法相比（如量方法相比（如椭圆偏振偏振仪），），SPRSPR技技术具具有灵敏度高、辨有灵敏度高、辨别率高等率高等优点点,特殊适合特殊适合纳米量米量级的膜厚的膜厚测量，而且可以量，而且可以测量不透光的薄膜量不透光的薄膜.棱镜银模+液晶+导电玻璃全息成像技全息成像技术底片为玻璃基底底片为玻璃基底-银膜银膜-光刻胶结光刻胶结构构,银膜厚度银膜厚度35nm,35nm,光刻胶厚度光刻胶厚度65nm.65nm.记录光路运用记录光路运用0.9mW0.9mW的氦的氦镉激光镉激光

22、.曝光时间为曝光时间为25s.25s.显影显影后将底片置于成像光路中。后将底片置于成像光路中。成像光路结构是成像光路结构是KretschmannKretschmann型型SPRSPR配置配置.银膜表面共振的银膜表面共振的SPWSPW被被全息照片上的刻痕散射并辐射光全息照片上的刻痕散射并辐射光,从而产生全息虚像。从而产生全息虚像。再现光束以再现光束以76.36,60.17,76.36,60.17,44.94(44.94(对应波导层中的对应波导层中的3 3 个个模式模式TM0,TM1,TM2)TM0,TM1,TM2)射入时射入时,视视察到了再现图像察到了再现图像.优点是成像时不存在照明光的零优点是成像时不存在照明光的零级散射干扰级散射干扰;记录时的入射角和记录时的入射角和成像时的入射角无关。成像时的入射角无关。