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1、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,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）,与光的全反射有关,电磁波共振条件,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
2、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,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n1n2，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
3、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）。,证明?,电磁场边界条件连续,证明,由矢量形式折反射定律：,如图所示，入射面为xOz，则有,当发生全反射时 ，,是一个复数,证明,由于全反射时,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。,结论,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
4、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）。,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,3.什么是等离子体？,3.什么是等离子体？,00C,1000C,100000C,等离子体定义,等离子体振荡频率,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
5、 表面等离子体波。,表面等离子体波的特征,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,表面等离子体波色散曲线,表面等离子体波色散曲线,波矢不相等，如何共振？,表面等离子体波色散曲线,只能改变两条色散曲线的相对位置,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x方向上的分量可以表示为,共振_,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
6、,Prism 0Metal mSample 1,0,kevksp,Prism 0Sample 1Metal m,0,kevksp,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。,SPR传感器实验研究,SPR传感器结构图,SPR传感器结构图,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
7、波长，测量入射光和反射光的相位差。,谢谢！THANK YOU !,表面等离子体波的两个特征（需改）,表面等离子体波振荡的损耗,表面等离子体波的传播长度,表面等离子体波传播长度的估算,表面等离子体波三个特征长度,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
8、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,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。,金属材料的选择,
