表面等离子共振实验讲义

1、表面等离子共振实验1902年，Wood采用连续光谱的偏振光照射金属光栅时，在反射光谱上观测到-种反常 衍射现象，即"伍徳片常衍射现象(Wood Anomalies)1941年，Fano在Sommerfeld理论 的基础上运用金属空气界面的表面电St波激发模型解释了这一异常衍射现象 1957年, Ritchie在实验屮观测到高能电子穿过金属薄片时出现了能届吸收峰，I何为了解释这-现彖， 他提出了用描述金属内部电子密度纵向波动的“金属等离子体”的概念。而后，PoweU 和swan在1959年通过实验证实了 Ritchie提出的这种理论。一年后，Stem和Farrell对金属 衣面电礎波模

2、式的共振条件进行了深入的研究，并提出了 “衣面等离体共振(Surfaceplasmon resonance, SPR)”的概念。到了 1968年，德国物理学家Otto和Kretschmann各门采用衰减 全反91(Attenuated Total Reflection, ATR丿的方法在实验中实现了光频波段的表而等离子体的 激发。至此，一个较为完整的表面等离子体激化理论就建工起来了，从而对上述现象的理论 解释进行了统一.之后，对于表面等离子的研究则主要集屮在传感应用方面，而基于表面等 离了体共振效应的传感技术也得到迅速的发展，并被广泛应用化工和生命科学等领域。【预备问题】1. 产生全反射的条件

3、是什么？2. 如何理解金属内部及表面的等离子体振动？3. 产生金属表面等离了体共振仃哪些方法？4. 产生金属表而等离子体共振须满足什么条件？5. 表面等离子体共振技术冃前主耍应用在哪些方面？【实验原理】1.倏逝波为光线从折射率为m的光密介质射向折射率为m的光疏介质时，在两种介质的界面处 将同时发生折射和反射,当入射角0大临界角0 c时,将发生全反射,在全内反射条件下, 入射光的能彊没仃损失，但光的电场强度在界面处并不立即减小为零，而会渗入光疏介质屮 产生倏逝波，如图1所示。图1光的全反射伴随倏逝波対无限宽的光束倏逝波的强度随渗入深度z呈c的指数规律衰减，即/(Z)= /(O)exp(-Z/J)

4、d =入 2其中亦ksmQn；(入是光在典空中液氏)是倏逝波滲入光统介质的仔效深度(即光波的电场衰减至表而强度的1/e时的深度)。可见入射的冇效深度d不受入射光偏振化程度的影响，除&d _8的特殊条件外，d随着入射角的增加而减小，氏人小 是人的数彊级共至更小。因为倏逝波的存在，在界面处发生全内反射的光线，实际上在光 毓介质屮产生人小约为半个波长的位移后乂返冋光密介质，若光疏介质很纯净，不存在对消 火波的吸收或散射，则全内反射的光强并不会衰减。反Z,若光疏介质屮存在能与倏逝波产 生上述作用的物质时，全内反射光的强度将会彼衰减，这种现彖称为衰减全内反射。2 表面等离子共振五十年代，为了解快

5、速电子穿过金属箔时的能晟损火，人们进行了人最的实验和理论 工作。Pin亡和Bohm认为，其中能吊损失的部分原因是激发了金属箔中电了的等离了体振动 (Plasma osallation),又称为等离子体了(plasmon)。Ritchie从理论上探讨了无限人纯净金 属箔中由等离子体振动而导致的电子能杲损失，同时也考虑了有限人金属箔的情况,指出： 不仅等离子体内部心在角频率为3p的等离子体振动，ifiJI.在等离子体和典空的界面，还存 在表而等离子体振动(Suifhcc pSsim oscillation)» J角频率为COp/2。Pow ell和San用 高能电子发射法测定了金属铝的特

6、征电子能帚损失，其实验结果町用Ritchie的理论来解释。 Stem和Fenell将农面等离子体振动的彊子称为农面等离子体子(Surface plasmon),研究了 金属表而仃覆盖物时的表面等离子体振动，发现金属表面很薄的氧化物层也会引起这种振动 的明显改变。他们述预言：由表而等离子体振动对表面涂层的敏感，那么通过选择介适的 涂层，表面特征能最损失的值会在一定范用内发生变化。除电子以外，用电磁波，如光波，也能激发表面等离子体振动。六十年代晚期， Kretschmann和Otto采用棱镜耦介的全内反射方法，实现了用光波激发表面等离子体振动, 为SPR技术的应用起了巨大的推动作用。他们的实验方法

7、简单而巧妙，仍然是H前SPR装 置上应用最为广泛的技术.(a jKretschimn(b)Otto图2棱镜猬合激发方式表面等离子体子共振(SPR)是一种物理光学现彖。表面等离子体(SP)是沿着金属和 电介质间界面传播的电磁波所形成的。当P偏振)t以表面等离子体共振角入射在界面上， 将发生衰减全反射,入射光被耦合到表面等离子体内，光能被丿、彊的吸收，在这个度上由 J：发生了表面等离子体共振从而使得反射光显著减少，利用光在玻碉界而处发生全内反射时 的倏逝波，可以引发金属表面的I由电子产生表浙等离子体子。在入射角或波长为某一适当 值的条件卜；农面等离子体子与倏逝波的频率和波数相等时，两者Z间将发生共

8、振，入射光 被吸收，使反射光能就急剧卜降，在反射光谱上出现共振吸收峰，如图一所示。这即发生了 表血等离子体共振现彖。在入射光波长同定的情况K.通过改变入射角度，从而实现角发指 示型表面等离子体共振。1.0I 一一扫对反射光强I8 6 o.O.0 0I-I.I.IF6570758085入射沟图3 SPR传感器测猜的反射系数曲线 表而等离子体共振角随液体折射率的变化冇如卜关系：1.0I 一一扫对反射光强I1.0I 一一扫对反射光强I（。为共振角，"。为梭镜折射率，为待测液体折射率，Re®为金属介电常数的实 部）根据公式可知，待测液体折射率和共振角Z间存在关系，所以在该实验中可以

9、测届不 同折射率液体所对应的共振角。从而讨论他们之间的关系。3、与分光计的结合使用仪器基本原理图如图二所示。结介分光计的粘度和角度读数的方便性，能够粘确的找 到待测溶液所对应的共振角。硅光电池图4 基于分光计的SPR传感器原理图【实验仪器】分光计、KF-SPR衷而等离了共振实验仪、激光器、偏振器、不同折射率的溶液【实验内容】1、调整分光计详见分光计使用说明书，调整分光计的平行光管部件（3）、里远镜部件（8）分别与载 物台（5）中心轴垂宜.2、实验部件安装和线路连接（1）调整完毕分光计后，连接线路，激光光源（29）接光输出，比电探头（30）接光输入, 插上电源线。撤卜平行光管的狭缝装置,将激光光

10、源装入到平行光管内，拧紧固定螺丝；同时拧去 分光计的两个物镜，将光电探头装入分光计的里远镜套筒Z内（如图一所示），并将偏振器 （31）装入平行光管内，把偏振器指针转到90。，打开电源开关，观察功率计读数调整激 光光源，当数值处F 900附近时固定光源。3、传感器中心调整将微调座（32）放到载物台上，固定好调节架后，在调节架中心放上准星（33）（见准 星示意图，首先开始粗调，调节载物台锁紧螺钉（6）使激光光斑至图4所示I处，转动游 标盘一圏，观察激光光斑是否一直射在I上，如果不是，则说明激光光线和准星不在一个V 面上，分以卜两种情况调节：（1）当转动游标盘-圈，激光光斑始终处准星某-侧，则说明激

11、光光线仃偏移，微调平行 光管光轴水平调节螺钉（26）,使激光光斑射在I上。当转动游标盘一圈，激光光斑处J：准星不同侧，则说明准星不处分光计中心位置，采 用渐近法（与调节分光计屮十字光斑方法相同），调节微调朋的两颗微调螺钉，使激光光斑 射在I上。粗调完毕，开始细调，调节平行光管光轴高低调节螺钉（27）,使激光光斑射在II上， 再转动游标盘一圈，观察激光光斑是否一肖射在I【h,如果不是，则说明激光光线和准星仍 不在一个平面上，调节方法与粗调一致。调节完毕,继续调节平行光管光轴高低调节螺钉 （27）,使澈光光斑射在III上，转动游标盘-圈，观察顶尖III处光斑是否一直处J最亮状态, 如果不是，继续调

12、节，调节方法同粗调、细调。当激光光斑胃过准星时，屮心调卩完毕。移去准星，放入瑕感部件（34）,为接卜來 读数方便，将游标盘与度盘调整至图五所示位置，调整敏感部件使光0°入射，拧紧游标盘 止动螺钉（25）,转动度盘使度盘0°对准游标盘0° o拧紧转廉与度盘止动螺钉（16）,松 开游标盘止动螺钉（25）,从此刻开始度盘始终保持不动.转动游标盘90°观察光是否90 °入射敏感部件,继续转动游标盘180。观察光是否仍90。入射敏感部件,如果是，此时则 说明敏感部件己调整完毕.将游标盘转冋至度盘所示65。位置处馈定，测彊前准条调节完 毕。平行光管望远彊境筒1I 11Aiv I III0-对准图6 0°对准处示竜图4、测最纯净水与酒精的相对光强与入射角的关系在敏感元件屮分两次注入纯净水与酒粘，测眩不同溶液的相对光强与入射角的关系。保 持度盘和游标盘不动，转动