（光学专业论文）表面等离子体共振传感的新现象、新方法及其温度特性研究.pdf

接要 摘要 本论文的研究工作是在国家重点基础研究发展规划n o 2 0 0 6 c b 3 0 2 9 0 5 ，国 家自然科学基金n o 6 0 7 3 6 0 3 7 、n o 。1 0 7 0 4 0 7 0 等项目的资助下完成的。主要从理 论和实验上研究了表面等离子体共振传感器的温度特性；运用严格耦合波分析 ( r c w a ) 方法，研究了光栅型表面等离子体共振传感器的梳理及其应用。 本论文主要的研究工作和成果如下： l 。建立了完整的表面等离子体共振传感器温度特性理论分析模型，模型包括环 境温度变化对金属薄膜的厚度和介电函数，以及对电介质层和待测物折射率 影响的分析；分析了环境温度变化对表面等离子体共振传感器各部分影响的 大小；比较了不同捡测方式的表面等离子体共振传感器灵敏度的温度稳定 性，分析表明角度检测型s p r 传感器的温度稳定性优于波长检测型s p r 传 感器；设计了一种光纤式表面等离子体共振温度传感器，并对光纤数值孔径、 传感区域长度等结构参数进行了优化，其灵敏度可达2 0 1 9p m 假，远高于目 前常用的光纤光栅型温度传感器。 2 。研究了以纯水为待测物时环境温度对普通棱镜式s p r 传感器性能的影响，发 现随着温度的升高，共振角度向小角度方向移动，同时s p r 曲线的半高全宽 ( f w 翔汪) 增大；剩用由s p f e e 镪掰s p r 传感模块构建的便携式s p r 传感系统 进行了葡萄糖浓度测量，并实验研究了该系统的温度特性；对在线传输式光 纤s p r 传感器的温度特性进行了实验研究；通过对普通棱镜式、便携式和光 纤型s p r 传感器的温度实验研究，很好地验证了我们建立的s p r 传感器温度 特性理论分析模型，为开发高灵敏度的s p r 温度传感器和抗温度干扰的s p r 传感器提供了必要的参考。 3 运用r c w a 数值模拟方法研究了反射式金属光栅s p r 传感器的灵敏度特性， 并通过研究其光场分布给出了物理解释，分析表明负阶共振的光栅s p r 传感 器的传感灵敏度要远高于正阶共振光栅s p r 传感器，且随共振角的增大而递 增；设计了一种金属光栅型s p r 氢气传感器，理论分辨率可达o o o l 氢气 浓度，并对金属光栅周期、占空比、光栅深度，敏感层厚度等结构参数的影 摘要 晌进行了分析；提出了遽过测量不同阶次共振峰桷对位置来提高光栅型s p r 传感器灵敏度的双峰法，进一步提高了光栅型s p r 传感器的性能。 4 运用爻c w a 方法分析了金属光栅一棱镜复合型s p r 传感器的传感特性。分 别研究了亚波长金属光栅对角度调制型和波长调制型s p r 传感器的灵敏度 增强特性；分析了多个s p r 共振峰的产生机制，提出了通过测量待测物一金 属界面的平面峰和光栅负阶共振峰间距来提高光栅一棱镜复合型s p r 传感 器灵敏度的双峰法：设计了一种光栅型长程表面等离子体共振传感器，其品 质因子可达普通薄膜型长程表面等离子体共振传感器的2 。4 倍。 本论文创薪点和特色： l 。全面分析了环境温度对金属薄膜的厚度和介电函数，以及对电允质层和待测 物折射率的影响，首次建立了完整的s p r 传感器温度特性理论分析模型， 并通过对普通棱镜式、便携式和光纤型s p r 传感器的温度实验研究很好地 进行了验证，还用其分析了环境温度对s p r 传感器各部分影响的大小。 2 首次发现了负阶共振的反射式金属光栅s p 爻传感器的传感灵敏度要远高予 正阶共振的光栅s p r 传感器，且随共振角的增大而递增，并通过研究其光 场分布给出了物理解释；设计了一种金属光栅型s p r 氢气传感器，理论分 辨率可达o 0 0 l 氢气浓度，远高子豳前常用的氢气传感器( o 1 ) 。 3 提出了通过测量不同共振峰相对位置来提高光栅s p r 传感器灵敏度的双峰 法；首次设计了一种光栅型长程表面等离子体共振传感器，其品质因子可达 普通薄膜型长程表面等离子体共振传感器的2 4 倍。 关键词：表面等离子体共振传感器温度亚波长金属光襁 i l a b s t r a c t a b s t r a e t 麓1 e 懈s e a r c hw o 瘦w i 像 nt h i sd i s s e r t a t i o ni ss u p p o m db y 确en a t i o n a lk e yb a s i cr e s e a r c h p r o 黟哪o fc h i n a ( n o 2 0 0 6 c b 3 0 2 9 0 5 ) ，t h ek e yp r o g r a mo fn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n o fc h i n a ( n o 6 0 7 3 6 0 3 7 ) ，t h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n o 1 0 7 0 4 0 7 0 ) 甜1 d s oo 矬确ee 彘嚷o fl e 激p e 喊l l 瓣o n 鑫s 喇沁ep l a s m o 纛掉s 强鞠c e ( s p 黔s e n s 啦粼s 趣d i 醍 e x p e r i m e n t a i i ya n dt h e o r e t i c a l 批b yu s i n gt h e “g o r o u sc o u p l e dw a v ea n a l y s i s ( r c ，a ) ，t h e 西y s i c 鑫 搬e c h 翘i s 黻sa n d 钯e 妇o l o g i c a 差印p i i e a t i o 珏so fs p 袋s e n s rb a s 尊do 珏撒e t 越l i c g r a t i n ga r 。n u m e r i c a n ya n a l y z e d t h em a i n 粥s e a r c h 、o r k sa n dc 雠c l u s i o 飘sa r ea sf o 】l o w 证垡： 1 ac o m p l e t cm e o r e t i c a l m o d e li se s t a b l i s h e dt o a n a l y z em ev a r i a t i o no f p e 函凇鼹e ew i 也v 哗i 珏g 耗m p e r 蘸翘eo fm es e 璐i 鹳e 魏v i 羚啪e 嫩t h e 嫩。如l c o n s i s t so ft h et e n l p e “n u r ed e p e n d e n c eo ft h et h i c k n e s sa n dd i e l e c t r i c 矗j l r l c t i o no f m e 谢蠡l 擞，t h er e 螽a c 矗v ei n d e xo f 蠢e l e c t r i el a y e ra 醚a 芏l 蠢y t e 髓em a g n i t u & o f t e m p 锻a t u r ee f f e c t so nt h ee v e 碍p a r to fs p rs e n s o ri s 锄a l y z e d t h et e m p e r a t l l r e s 穗b i l i t yo fs e n s i t i v i t yo fs p rs e n s o r s 、：h j c h 、r ku n d e rd i 插：r e n ti n t e r r o g a t i o n 壤o d ea 糟e o 燃p a r e d ，也ep 髓f o 鼬a 矬c eo fa n 静l 越i n t e 瀚g a t i o 致趣o d eh a sa 蕊s t i n c t a d v a n t a g eo v e rt h a to f 、v l v e l e n g t hi n t e r r o g a t i o nm o d e af i b e r o p t i cs p r 绝嘲磁锄嘲：s e n s o ri s 如s i g n e 鑫，勰莲也es 饿l c 锄a lp 绷暇e 稔龋，鼹e ha sm 黼矗e a | a p e r t u r ea n dl e n 舀ho fs e n s i n ga r e a ，a r eo p t i m i z e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h e 0 p t i m i z e ds e n s i t i v 时c a 芏1r c a c h2 0 1 9 p 删k ，i ti sm u c hb e t t e rt h a i l m m o nu s e d 舳e f 搬n p e r a t l l r es e n s o rw h i c hi sb & s e d 强舫e rg f a t i n g 2 t h ee f | f e c t so ft e m p e r a t l l r eo n ac o n v e n t i o n a jp r i s m - b a s e ds p r s e n s o ra r es t l l d i e d e x p e 砖黻e 燃a l l y 潞i 藏gp 漤ew 醣e fa s 舔羹y 专e ，l h er e s o 懿雒c e 熬g l es h i 懿协s 黻a l l e r v a l u e s 肌dt h es p rc u r v eb r o a d e n s 、v i t ht h ei n c r e a s eo ft e m p e r a t u r e b yu s eo f s p r e e t a lm s p rs e n s i n gm o d u l e ，ap o r t a b l es p rs e n s i n gs y s t e mi se s t a b l i s h e d 约 d e t e c tt h ec o n c e n t r 砒i o no fd e x t r o s es o l u t i o n ，a n dt h et c m p e r a t l l r ec h a r a c t e r 主s t i co f p o 砸b l es p r s e n s o r si se x p e r i m e n t a l l ys t u d i e d t h et e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i co f l l l a b s t r a c t 是b e 卜o p l i es p rs e 疑s o fi se x p e 疸f n e 建a l l yi 蕤v e s t i g 越e d 。转yl h ee x p e f 至薹廷e 嫩奎 r e s e a r c ho nt h et e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i co ft h e s et h r e ek i n d so fs p rs e n s o r s ，o u r 也e o r e t i c a lm o 如li sw e l lv a l i d a t e d ，稳m a yl e 勰t ob 甜e r 蠡疮f i e 旋。n 醒h i 醢 s e n s i t i v i 够s p rt e m p e r a t u r es e n s o ra n dt h es p rs e n s o ra g a i n s tt h et e m p e r a t u r e v a r i a t i o n n l es e n s i n g 馥a r a c t e r 主s t 主c 锺s p 爻s e n s o rw i t hr e 丑e e t i o nt y p em e t a 王l i c 琴a t i n g 趣 i n v e s t i g a t e dw i t hr c w am e t h o d ，a i l dt l l em e c h a j l i s mi sa n a l y z e db yt h ef i e l d d i s 霞渺砸。致疑i s 如髓d 也教愈es e n s i l i v i 移o f 羲e g 采i v ed i f 爱鑫c l i o no 砖e 毛妇i 如 g o e sh i g h e rq u i c k l ya sm er e s o n a n ta n g l ei n c r e a s e s ，i sm u c h 黟e a t e rt h a l lt h a to f p o s i t i v ed i f j 艮a c t i o no l 畦e r as p r 量l y d r o g e ns e n s o ru s i n ga p a l l a d i u l 髓一e o a t e dg o l d s u b w a v e l e n g t hg r a t i n gi sp r o p o s e d ，t h ei n f l u e n c eo fg r a t i n gp a r 撇e t e r sa n dt h e t h i c k n e s so fp a l l a d i u mo nt h ep e r f o 姗a n c eo fg r a t i n g 也a s e ds p rh y d r o g e ns e n s o r 嚣黻越y z e db y 藏u m e r i c 蠢s i m u l 雏i o 矬+ a 也e o r e l i c 啦f e s o l 痰i o 敷o fh y d r o g 躐 c o n c e n 旬? a t i o no nt h eo r d e ro fo 0 01 i sf l n a l l yo b t a i n e di no u rd e s i g n 7 1 1 1 e d o u b l e d i p sm e 壕o du s i n gt h e ：s e p a f a t i o no f 搦婚d p so f 蠢f 豫糙趱。砖e r s 协 i m p r o v em es e n s i t i v i 够o fs p r s e n s o r sb a s e do nm e t a l l i cg r a t i n gi sd e m o n s t r a t e d b a l s e do nr c 狐m e t h o d ，t ks e n s i n gc h a r a c t e r i s t i co fs p rs e n s o rw i t ha 辫矗n g - p r i s 搬c o m p o s i t es t n l c 抛r e 主s 撖v e s l i g a t e d 。t 量l es e n s i n ge n h 强e e m e n to f s u b w 钾e l e n g t hm e t a l l i c 掣a t i n g f o rt h ea i l g u l a ra i l dw a v e l e n g t i li n t e r r o g a t i o n s p rs e n s o ri s 或礁i e d 羚s p e 蕊v e l y 弧em e 馥越s 撒o f 礅毽l 卸l es 豫d i 筘瓣 a n a l y z e d ，ad o d b l e d i p sm e t h o du s i n gm es e p a r a t i o no fc o m m o ns p rd i pa n d n e g a _ t i v ed i f 纛a c t i o ng r a t i n gs p r 碰pa tt l 她a n a l y t e m e t a li n t e r f a e e 专oi m p r o v e 弼e s e n s i t i v i 锣o fs p r s e n s o r s 诵t hc o m p o s i t es t r u c t u r ei sp r o p o s e d ag r a t i n g - b a s e d l o n g r a n g es p r s e n s o ri sd e s i g n e d ，i t s 蝣g u r eo fm e n t ( f o m ) i s2 4t i m e so ft h a t o fe o 致v e 蚯。娃越l o 致g r 鼹g es p rs e n s o r 。 礤鲥i g 越s 醴也e 蕊s s e f 毁疆i o n 藏oa sf 。l l 痢鞋搭 1 1 k t e m p e r a n h i ee f 梵c t so nt h et h i c k n e s sa n dd i e l e c t r i c 鼬c t i o no fm e t a lf i l m ，t h e r e 台a c t i v ei n d e xo fd i e l e c t r i cl a y e ra l l da 1 1 a l y t ea r er o u l l d l ya 1 1 a l y z e d ，ac o m p l e t e ： 也e o 她i e a l 擞o d e li se s t a b l i s h e dt oa n a 王y z e 饿et e m p e 斌氍ec 慨t e f i s t i co f 也e s p rs e n s o r sf o rt h ef i r s tt i m e ，a n dt h em o d e l i sw e l lv a l i d a t e db yt h ee x p e r i m e n 瑚 i v 3 4 a b s t r a c t r e s e a r c ho nt h ep r i s m - b a s e d ，p o n a b l ea n d6 b e r - b a s e ds p rs e n s o r s ，t h em a g n i t u d e o ft e m p e r a t u r ee f 俺c t so nt i l ee v e 巧p a r to fs p rs e n s o ra l s oa r ea n a l y z e du s i n go u r m o d e l 2 i ti st h ef i r s tt i m et od i s c o v e rt h a tt h es e n s i t i v i t yo fs p rs e n s o rw i mr e f l e c t i o n 够p em e t a l l i cg m t i n gu s i n gn e g a t i v ed i f f r a c t i o no r d e rg o e sh i g h e rq u i c l ( 1 ya st h e r e s o n a n ta n 9 1 ei n c r e a s e s ，a n di sm u c h 铲e a t e r t h a j lt h a tu s i n gp o s i t i v ed i f f r a c t i o n o r d e r t h em e c h a n i s mi s a n a l y z e db yt h ef l e l dd i s t r i b u t i o n as p rh y d r o g e n s e n s o ru s i n gap a l l a d i u m c o a t e dg o l ds u b w a v e l e n 舀h 舒a t i n gi sp r o p o s e d ，a m e o r e t i c a lr e s o l u t i o no fh y d r o g e nc o n c e n t r a t i o no nt h eo r d e ro f0 0 0l ，、h i c hi s m u c hb e t t e rt 量l a nt h a to fc o m m o nu s e dh y d r o g e ns e n s o r ( o 1 ) ，i sf i n a l l yo b t a i n e d i n o u r d e s i 印 3 t h ed o u b l e d i p sm e t h o du s i i 坞t h es e p a r a t i o no fd i f f e r e n td i p st oi m p r o v et h e s e n s i t i v i 够o fs p r s e n s o r sb a s e do nm e t a l l i c 伊a t i n gi sp r o p o s e d ag r a t i n g _ b a s e d l o n 磐r a n g es p r s e n s o ri sd e s i g n e df o rm ef i r s tt i m e ，a n di t sf i g u r eo fm e r i t ( f o m ) i s2 4t i m e so fm a to fc o n v e n t i o n a l l o n g r a n g es p rs e n s o r k e yw o r d s ： s u r f a c ep l a s m o nr e s o n a u l c e ，s e n s o r t e m p e r a t u r e ，s u b w a v e l e n 酵h m e t a l l i c 黟a t i n g v 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取褥的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过盼研究成果。与我一图工作的露志对本研究所做的贡献均已在论文中 乍了明确 的说明。 作者签名：盛蝴 签字日期： 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为率请学位的条件之，学位论文蔫作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阗，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电予文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密黯也遵守此裁定。 国隆开图傈密( 年) 作者签名：丛盘星釜 作者签名： ! 蔓蕊苴岌至 签字嚣期：竺竺竺：垄 导师签名： 丝丝 签字醴期- 乏堡竺z ：互：墨乡 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀下匕 随着现代科学技术的高速发展，人类社会已进入了信息时代，信息技术已渗透 了国民经济和社会发展的各个领域和各个层次。人类的生产和生活越来越离不开信 息技术的应用。传感器技术与通信技术和计算机技术一起分别构成信息技术系统的 “感官 、“神经”和“大脑”，是现代信息产业的三大支柱之一。传感技术在国 防、能源、工业、农业、环境监控、公共安全、生物医学以及家庭生活等领域都有 广泛的应用前景。 光学传感器具有体积小、抗电磁干扰能力强、便于集成、可在线检测、安全性 高等优点，在传感领域占有越来越重要的地位，其中表面等离子体共振光学传感器 由于其灵敏度高、免标记、可实时检测等突出优点，在生命科学、药物开发、医学 诊断、公共安全、环境污染等领域有广阑的应用前景，正逐渐成为溷际传感器领域 的研究热点。本论文中，我们主要研究表面等离子体共振传感器的温度特性和基于 光栅的表面等离子体共振传感技术。 1 1表面等离子体的基本性质 表面等离子体( s u r f - a c ep l a s m o n s ，s p s ) 是金属表面自由电子同入射光子相互耦合 形成的非辐射“局域”电磁模式，有时也称其为表两等离子体激元( s 越f i 埝ep l a s m o 娃 p 0 1 撕t o n s ，s p p s ) 【m 】。金属表面自由电子在入射光场的激励下集体相干振荡，这种相 互作用产生了s 瓠著赋予它独特的性质。利用表面等离子体可以将光学控制的维度扶 三维降为二维，实现纳米尺度超衍射极限光传输的有效调控，同时可在纳米尺度上 实现电磁能量的局域汇聚放大。由予其表面局域和近场增强的特性，s p s 在微纳传感 探测、纳米光子器件设计及其集成等纳米光子学领域具有重要应用。随着对s p s 研究 的阏益深入和高精度纳米加工技术的不断进步，逐渐形成了表面等离子体亚波长光 学( s 珏m i c ep l a s m o 魏s 曲张l v e l e 矬幽0 磷i c s ，s p s o ) 这一新兴学科1 4 j 。表露等离子体亚波 长光学脱胎于近场光学，成长于凝聚态理论和纳米技术的引入，它将s p s 作为信息载 体，以金属微结构为s p s 的主要存在环境，主要研究s p s 与金属微结构的相互作焉、 s p s 与其他信息载体( 如光子) 的相互耦合等相关理论和应用问题。 第一章绪论 1 1 1 表面等离子体的色散关系 首先，我们来推导半无限大金属和电介质界面处s p s 的色散关系。如图1 1 所示， 在z o 半空间为各项同性的电介质材料，它的相对介电常数为正实数，用d 表示； 在z ( ) 。金属与介质界面上存在的表面电磁波是 横磁场( t m 模式) ，其场分布可以表述如下： 当z o 时， 彳 巨( z ，z ，r ) = 一_ 兰( 毛：，0 ，f 尼) e x p ( f 奴一墨：z f 缈f ) ( 1 1 ) l m 毛d 乇b q ( x ，z ，) = ( o ，彳，0 ) e x p ( 政x 一毛：z f 缈f ) r ( 1 2 ) 当z 竺彰2 ，从图中可以看出s p s 的色散曲线在真 空中光线的色散曲线的右边，它们在同一频率下没有交点，因此它们之间不能直接 耦合，s p s 必须通过波矢补偿才可被光激发。与占，成正比，随着i 疗，f 的增大， 逼近其极限值竺s ? 2 ，艺则逐渐减小，这是s p s 的色散性质。s p s 色敖关系可以完 全描述s p s 的晃特性，是进行s p s 相关研究的基本理论基础。 l q k 即 k x 图1 2 半无限大金属一电介质界面处s p s 的色散关系。 图1 3t m 偏振下半无限大金属一电介质界面s p s 电磁场分布【4 l 。 3 第一章绪论 前面分析的都是表面电磁场在t m 偏振情况下的基本特性，此时电磁场分布如 图1 3 所示，界面上电场垂直于金属表面，正负电荷交替分布。如果考虑t e 偏振( 又 称为横电场或s 偏振) 的表面电磁场，利用与等式( 王。1 ) 和( 董2 ) 类似的表示，只 是电场分量和磁场分量互换，再引入边界条件解麦克斯韦方程，结果发现不存在非 零解，这说甓疆偏振的表面电磁场在金属一电介质界面不能存在。因此，分析s 转 总是t m 偏振的。 1 1 2 表面等离子体的表面局域和近场增强特性 在金属表面传播的s p s 的电场可以表示为呸 露船( x ，孑) = 磊c x p ( 宓带x 一凳：| z | ) ( 1 1 l 该式骧确表臻s p s 的表面局域特性，其电场强度沿着垂矗金属表面方向指数衰减。 s p s 的近场增强与金属的介电常数和金属表面的粗糙度有关。根据m a x 、e l l 方程和 边界条件，可以解出理想光滑平面上s p s 最大可能的场增强表示为【2 l ： 望：三咝竺 ( 1 1 2 )= ： t1 i f 勤l m 笤。l + | r e g 。| 其中，口2 爿r e g 煅i ( s 。一1 ) 一g ，e l i 猷是入射光的电场，酝是金属膜下面用于激发s p s 全反射棱镜的介电常数，韶是金属膜上层介质的介电常数。由式( 1 1 2 ) 可估算出 场增强，对于6 0 蛐厚的银膜在红光照射下增强可达两个量级。s p s 的近场增强特 性使其适合用于高灵敏度的传感器。 需要指出的是，对于较厚的金属膜( 两表面上的s p s 不会互相藕合) ，s 风的色 散关系可用式( 1 8 ) 准确描述。当金属膜厚度减少到两表面上电磁模的相互作用( s p s 的相互耦合) 不能忽略时，s p s 的色散关系会发生很大改变f 弱。表面等离子体频率将 产生分裂，分别对应对称模式( 低频模式) 和非对称模式( 高频模式) 。对于较大的s p s 波矢，分裂后的频率点可由下式近似得到： 彩+ 国譬p ( 1 e 一涮) ( 1 1 3 ) 其中蠢是金属膜的厚度。同时，经过研究已经知道，因为对称模式的波矢虚都隧膜 厚的减少而减少，能够传播较长距离，所以它也被称为长程表面等离子体( l o n g r a n g es u i ep l a s m o n s ，l r s p s ) 【6 】。 另外值得注意的是，我们还可以人为构造一些粗糙的金属微纳颗粒结构来调控 近场光的性质。对于此类结构对应存在着另外一种类型的面束缚模式：局域表面等 4 橥一章绪论 离子体( l o c a l i z e ds u r f a c ep l a s m o n s ，l s p s ) 【7 引。在各种形貌的金属颗粒，a f m 金属 探针针尖等结构中，局域表面等离子体占主导作用。l s p s 的频率可在静电场近似下， 通过求解经典的d i r i c h l e l 问题得到。当结构的特征尺度远小于波长时，这种近似是 有效的。比如金属小球的局域表面等离子体频率可表示为： 壁s 彩御jlz 一nf 11 柚 g o ， 其中是l s & 的角动量。对于满足静电场遥似的小球，只需一1 ，也就是说该结构 可近似看作偶极予激发。但是随着小球半径的增大，多极子相互作用变得愈发重要， 最终，= o 。，l s p s 的频率与光滑无限大平面的s p s 完全相同，此时小球可看作光滑 平面。对于金属椭球，存在三个激发频率对应椭球的三个主轴【引。l s p s 频率的存在 范围被等离子体频率约束。 表瑟等离子体和局域表面等离子体都具有表面局域和近场增强两个独特性质。 需要强调的是，虽然表面等离子体和局域表面等离子都具有表面局域特性，但是各 宣色散关系的不同决定了它们是两种完全不同的激发态。s p s 的色散关系由式( 1 8 ) 决定，由电场表达式( 1 2 ) 可知，它是一种传播模式( 在平行于界面方向) 。而l s p s 局域在各种不同形貌的曲面上，它的色散关系一般和其所局域的介质形貌密切相关。 它是一种非传播模式( 同样是在平行予界面方向) 。l s p s 的高空间局域性导致在其局 域空间内更加显著的能量增强效应【9 】。s p s 和l s p s 之间的相互作用是可能的，两种 状态也可以被霹时激发。s k 矗e 舯v 1 1 秘和x i a o 的研究表暖：s 羚激发是l s p s 衰减 的有效途径；它们的相互作用导致了s p s 在表面缺陷处散射的显著增强。多个金属 纳米颗粒的l s p s 还能空间相干叠加，对遥场电场强度分布进行调制，形成一系列 “热点”( h o ts p o t ) ，这些“热点对周围的介电环境更加敏感，可用于高灵敏度的 生物单分子探测。s p s 和l s p s 的不同特点使它们各自拥有相互独立的应用领域，而 两者之闻相互作翔的特殊效果又使两种状态的混合应用成为可能。 1 。3 表面等离子体的激发方式 最初为了研究s p s ，采用电子激发方式，但是对于小波矢的情况，由予电子束 宽度的限制不能得到令人信服的实验结果1 2 】。要实现光激发，从理论上讲需要对光 波矢给予补偿，使其能够和s 骶的波矢匹配。目前成功实现波矢补偿主要有两个渠 道：利用光子隧道效应的衰减全反射( a t r ) 法( k r e t s c h m a n n r a e t h e r 结构【1 2 j 和o t t o 结构阻1 q 和衍射於偿法。 量& e t s c h m a n l l r a e t h e r 结构适用于金属薄膜，如图1 4 ( a ) 所示，入射光以大于全 5 第一覃绪论 反射角的角度入射，利用棱镜的岛。进行波矢补偿。波矢匹配方程如下： r 一 r ”= 一舯。s l n d ( 11 5 ) c 沿金属与空气界面方向的光子波矢分量在特定的入射角度和特定的波长满足波矢匹 配方程( 115 ) 式，即可有效的激发s p s 。图14 ( b ) 所示的双层结构在会属的两个表 面均可激发s p s 。对于较厚的金属膜，光于隧道效应很弱，这种情况下o n o 结构比 较适合，如图14 ( c ) 所示：在该结构中，全反射棱镜和金属膜之间有很小的空气间 隙( 近场区域) ，可以在金属和空气间隙的界面卜激发s p s 。 c e ) ( f ) 图1 4s p s 檄发模式：( 曲k m 乜c h ma 【l n 结构，( b ) 般层k m b c h m a n n 结构，( c ) o n o 结构，( d ) 光栅衍射，( e ) 表面缺陷衍射，( 玎s n o m 探针激发。引自文献【5 】j 衍射补偿法实际上就是利用衍射效应来实现光子波矢的补偿。在金属表面部分 区域写入衍射光栅，利用光栅衍射效应提供波矢补偿，如图14 ( d ) 所示。r a d h e r 在 其专著中给出了周期性结构中的波矢匹配方程【2 】： b = 詈槲n 钆，p 等蝉g 等“， ( 1 1 6 ) 当入射光是p 偏振时，品= 1 ：5 偏振时，昂= 0 。峙是光波矢平行光栅表面的单位 矢量。n 是与金属膜相邻的介质折射率。* 和以是周期结构在x 、y 方向的单位倒格 嫂屿山蟛每远 第一章绪论 矢。d 为结构周期( 此处假定x ，y 方向周期相同) 。p 和q 是对应不同衍射方向的整 数。不同予前述结构，如果光栅狭缝穿透金属膜，那么金属膜的上下表面均可有效 激发s p s 。 以上方法都是通过引入特殊结构来实现波矢补偿，从而在理想光滑的金属表面 激发s p s 。但是对于粗糙表藤，不需要任何额外的结构设计，表面粗糙的衍射效应 就可以提供在金属膜表面激发s p s 所需的波矢补偿即直接的光照射便可激发s p s ， 如图1 4 ( e ) 所示。这种效应在近场区域是完全可能的，因为从理论上讲，近场区域 的衍射场包含了所有的波矢【l 2 j 。但是，无需特殊的激发结构也表明在该情况下s p s 激发不是一种谐振效应，是一种不确定的激发状态( 1 1 1 d e 氨m e de x c i 协t i o nc o n d i t i o n s ) 。 虽然该方法能够激发s p s ，但是激发效率不高。s 啦。磷o n 【”】等学者指出该种非谐振 的激发状态导致在金属表面不同区域s p s 的相互干涉，造成金属表面复杂的光场分 布。 p o h l 的研究小组在1 9 9 6 年提出了一种新型的s p s 激发技术s n o m 激发【1 6 】， 简单示意圈如图1 4 ( f ) 所示。从原理上讲，光子隧道效应和衍射效应都可解释这种激 发技术。可认为产生于探针尖端的倏逝场通过光予隧道效应穿过针尖和金属表面的 空气间隙，在金属表面激发s p s ，类似于o t t o 结构；也可认为探针的近场衍射提供 了激发s p s 所需的波矢补偿，类似予褪糙表面的激发情况。过去的十年中，借助 s n o m 进行的该方面实验研究工作很多：金属膜内外表面激发s p s 的比较，s n o m 激发s p s 的干涉效应吲等。 总的来说，由于表面等离子体的纵波性质，有效激发表面等离子体要求激发光 必须具有平行子s p s 传输方向的分量。 1 1 4 表面等离子体的四个特征长度参数 与表面等离子体相关的特征长度有四个：s p s 传播距离五。p ，s p s 波长，s p s 在介质中的穿透深度函，s p s 在金属中的穿透深度岛。 s p s 波长九坩就是金属表面电子的振荡周期，可以豳色散关系( 1 9 ) 式得到： rl ，2 k ：孚：如l 堑堕l ( 1 1 7 ) 铀2 一2 l 。i 1 1 ， 蓐s p ls 矗g ， j 砩接近但总是小于知，因此可知要对s p s 的性质进行控制，如设计s p s 的b m g g 反 射器，器件尺寸应该大约在光波长量级( 红外至可见波段结构尺寸4 0 0 一王0 0 0 隧) ， 可以通过电子、离子束刻蚀或者软刻蚀的方法来加工制作【1 7 ，18 1 。 7 第一鬻绪论 s p s 传播距离j 乙。p 由s p s 波矢的虚部决定，上。具体定义为s p s 强度衰减至仞始 强度的l 惩时传播的距离，由( 1 1 0 ) 式可得： ，。，r1 3 2 三妒= 上：蠢盟| 盟l眩1 8 ) 一 2 豇妒 ”2 刀譬fl 占d g ，j 当金属损耗低，即| 笤，p 时，五留厶( s ，) 2 2 蟹。可以看出，要想获褥大的传 播距离，金属需要绝对值较大的介电常数实部g ，和较小的介电常数虚部8 。，这是我 稍预料之中的结果，因为金属介电常数的虚部就代表其损耗。s p s 传播距离决定了 基于s p s 纳米光子学器件的最大长度。有效提高厶。的手段是，采用对称介质结构 包覆的薄金属膜【6 】，使两个界面的s p s 发生耦合，减少金属膜中的能量分布，从而 减少了损耗f 1 9 ，2 叭，当然这是以损失贬波长的局域效应为前提。另外由于三。p 多名铲， 利用波长尺度的周期性结构能有效地调制s p s 的传播性质。 f 培m ? ! 惦o n de i 嘲p 捌1 毫f 协毗 o 九d e 呻 咖掣缸晒或嘲c t f 毒 8 p p 弦p 鞲弹蛹 。，罗一夕b l 量重量 一。 图1 5 红外及可见光波段表面等离子体的四个特征长度参数范围。引自文献【2 1 】 介质中的波矢方程占，砖= 露刍+ 老乞，其中代表金属磁或电介质磊由于s p s 波矢大予介质中的传播波矢，即砖 勺碍，这说明七：是纯虚数，它表明沿界颟法 向是指数衰减的衰逝场。电介质和金属中的穿透深度由下式给出： ( 王薹9 ) ( 1 2 0 电介质中的穿透深度在光波长的量级，它决定了周霭介质折射率对s p s 敏感层的厚 度范围，如o t t o 结构中空气间隙或者做生物传感时生物分子层厚度的确定要考虑这 一因素。在适当距离下，金属膜附近的荧光分予能有效地把能量转移成s p s1 2 2 1 。 金属中的穿透深度是一个非常有意义的特征参数。当入射光频率缈远远低予等 8 挚管 垒。 皇 上k ；一如 l l l l 以 爵 第一章绪论 离子体频率d 时， 瓦三： ( 1 2 1 ) m p z 死 6 m 决定了融t s c 胁a l l l l 【1 2 】结构激发s p s 的金属膜的厚度( 可见光波段在5 0 m 左右) ， 超级透镜中金属膜的厚度2 3 ，2 4 1 以及弱个界西的s p s 模式相互耦合的金属膜的厚度【2 0 】 等。 ( a ) s p s 波长) s 羚传播距离 ( c ) s p s 在介质中的穿透深度( d ) s p s 在金属中的穿透深度 图1 6 可见及红外波段金属银和空气界面s p s 的四个特征长度与入射光波长之间的关系曲线。 引自文献【2 1 1 。 图1 5 直观地显示出了这四个特征长度参数在可见和红外波段的数量级。l o 蛾 以下金属的非定域响应( 空间色散) 决定了长度的最低限制，而长程表面等离子体可 以传播至厘米量级f 2 l 】。墅l 。6 给出了可见及红外波段金属银和空气界面处这四个长 9 掌未tl_”量掌薯盟爵ao纛 奢、羹媾蔷译蔗pi舡弱麓矗篓h釜譬髯搏1甫掌麝蒜蒸弓s案鬈蓉氟 第一章绪论 度参数与入射光波长之间的关系曲线。 1 2 表面等离子体共振传感器概述 1 2 1 表面等离子体共振传感器研究现状 表面等离子体共振( s u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c e ，s p r ) 现象是在19 0 2 年首次被发 现的，w b o d 等人根据衍射光栅的反常衍射现象，意识到表面等离子体波( s u 雨c e p l a s m o nw a v e ，s p w ) 的存在并且在光学实验中得到证实。1 9 6 8 年，德国学者o t t o 提 出了产生表面等离子体波共振效应的相应条件并设计了o t t o 模型【1 3 l4 1 。德国另一位 学者k h t s c u 1 1 a n n 提出了鼬e t s c h m a n n 模型【1 2 】，采用衰减全反射棱镜耦合方法实现光 激发s p w 。心e t s c a n n 模型的出现为s p r 传感器的开发和应用奠定了基础。1 9 8 2 年， n y l a n d e r l 2 5 j 等人首次将表面等离子体共振技术应用于气体传感和蛋白质与其抗原相 互反应的测定。1 9