表面等離激元共振2011424200221

1、實(shí)驗(yàn)名稱：表面等離激元共振法測(cè)液體折射率實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、了解全反射中倏逝波的概念2、觀察表面等離激元共振現(xiàn)象，研究其共振角隨折射率的變化3、進(jìn)一步熟悉和了解分光計(jì)的調(diào)節(jié)和使用4、了解和掌握共振角測(cè)量的方法，以及計(jì)算折射率的原理和方法實(shí)驗(yàn)原理：在電磁場(chǎng)的作用下，材料中的自由電子會(huì)在金屬表面發(fā)生集體振蕩，產(chǎn)生表面等離激元；共振狀態(tài)下電磁場(chǎng)的能量被有效轉(zhuǎn)換為金屬表面自由電子的集體振動(dòng)能。當(dāng)入射光從折射率為n1的光密介質(zhì)照射到折射率為n2的光疏介質(zhì)，當(dāng)入射角。大于臨界角9c時(shí)，將發(fā)生全反射，在全內(nèi)反射（TIR）條件下，入射光的能量沒有損失，但光的電場(chǎng)強(qiáng)度在界面處并不立即減小為零，而會(huì)滲入光疏介質(zhì)中產(chǎn)

2、生消失波，光波并不是絕對(duì)地在界面上被全反射回光密介質(zhì)，而是滲入光疏介質(zhì)大約一個(gè)波長(zhǎng)的深度，并沿著界面流過波長(zhǎng)量級(jí)距離重新返回光密介質(zhì)，沿著反射光方向射出。這個(gè)沿著光疏介質(zhì)表面流動(dòng)的波稱為倏逝波。對(duì)于倏逝波在金屬內(nèi)部的分布是隨著與表面垂直距離z的增大而呈指數(shù)衰減，即I（z）=I（0）exp（-：）（1）d其中d=,%（%是光在真空中的波長(zhǎng)）是倏逝波滲入光疏介質(zhì)的有效深度（光波的2二.n2sin21-n；電場(chǎng)衰減至表面強(qiáng)度的1/e時(shí)的深度）。可見入射的有效深度d不受入射光偏振化程度的影響，除8一，d-8的特殊條件外（”為布儒斯特角），d隨著入射角的增加而減小，其大小是九°的數(shù)量級(jí)甚至更小

3、。因?yàn)橘渴挪ǖ拇嬖?，在界面處發(fā)生全內(nèi)反射的光線，實(shí)際上在光疏介質(zhì)中產(chǎn)生大小約為半個(gè)波長(zhǎng)的位移后又返回光密介質(zhì)。表面等離激元共振（SPR是倏逝波以衰減全反射的方式激發(fā)表面等離激元波（SPW,當(dāng)SPW波矢與倏逝波的波矢大小相等、方向相同時(shí)，產(chǎn)生共振，導(dǎo)致入射光的反射光強(qiáng)降至最低。如果在兩種介質(zhì)界面之間存在幾十納米的金屬薄膜，那么全反射時(shí)產(chǎn)生的倏逝波的P偏振分量（P波）將會(huì)進(jìn)入金屬薄膜，與金屬薄膜中的自由電子相互作用，激發(fā)出沿金屬薄膜表面?zhèn)鞑サ谋砻娴入x子體波（SPW。當(dāng)入射光的角度或波長(zhǎng)到某一特定值時(shí)，入射光的大部分會(huì)轉(zhuǎn)換成SPW的能量，從而使全反射的反射光能量突然下降，在反射譜上出現(xiàn)共振吸收峰，此

4、時(shí)入射光的角度或波長(zhǎng)稱為SPR的共振角或共振波長(zhǎng)。SPR的共振角或共振波長(zhǎng)與金屬薄膜表面的性質(zhì)密切相關(guān)，如果在金屬薄膜表面附著被測(cè)物質(zhì)（一般為溶液或者生物分子），會(huì)引起金屬薄膜表面折射率的變化，從而SPR光學(xué)信號(hào)發(fā)生改變，根據(jù)這個(gè)信號(hào)，就可以獲得被測(cè)物質(zhì)的折射率或濃度等信息，達(dá)到生化檢測(cè)的目的。表面等離激元（SP）是沿著金屬和電介質(zhì)之間的界面?zhèn)鞑サ碾姶挪ㄋ纬傻?。?dāng)P偏振光以表面等離激元共振角入射到界面上，將發(fā)生衰減全反射：入射光被耦合到表面等離激元內(nèi)，光能被大量吸收，在這個(gè)角度上由于發(fā)生了表面等離激元共振從而使得反射光顯著減少。光在界面處發(fā)生全內(nèi)反射時(shí)的倏逝波，可以引發(fā)金屬表面的自由電子產(chǎn)生

5、表面等離激元。在入射角或波長(zhǎng)為適當(dāng)值時(shí)，表面等離激元與倏逝波的頻率相等，兩者之間發(fā)生共振。入射光被吸收，使反射光能量急劇下降，在反射光譜上出現(xiàn)共振吸收峰，這就是表面等離激元共振現(xiàn)象。在入射光波長(zhǎng)固定的情況下，通過改變?nèi)肷浣牵部梢詫?shí)現(xiàn)角度指示型表面等離激元共振。如圖所示，當(dāng)P偏振光（振動(dòng)方向在入射面內(nèi)）柱面棱鏡照射到金屬表面時(shí)，入射光波矢k在x方向上的投影為kx=k0npsinF（2）式中，=2是入射光在自由空間中的波矢，'是入射光在自由空間中的波長(zhǎng)，n°是柱面棱鏡的折射率p（折射率有實(shí)部、虛部，本實(shí)驗(yàn)所指折射率均指折射率的實(shí)部），d為入射角。根據(jù)Maxwell方程，可以推導(dǎo)

6、出表面等離激元波的波矢圖一表面等離激元共振示意圖ksp（如圖所示）的模為ksp=k。Jns2（3）其中，8m是金屬的介電常數(shù)，ns是待研究介質(zhì)的折射率。；m-ns當(dāng)kx=ksp時(shí)，入射光波就會(huì)在金屬表面形成表面等離激元共振。ksp=k0npsin曰=Re|kO2；mns二一n2mns上式就是產(chǎn)生SPR!象的條件。采用角度指示型檢測(cè)方式，調(diào)節(jié)入射角振角0sp滿足：sin9sD=Resp，mnsmnnp由于所采用的金屬介電常數(shù)的實(shí)部絕對(duì)值遠(yuǎn)大于虛部絕對(duì)值，則公式（npsinp(4)01,反射光強(qiáng)最低時(shí)對(duì)應(yīng)的共5）可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為:2Re(；m)%一，、2Re(；m)ns(6)根據(jù)（6）式可知待測(cè)液體

7、折射率和共振角之間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)中可利用該式測(cè)量不同液體的折射率。儀器基本原理圖如圖二所示。結(jié)合分光計(jì)的精度和角度讀數(shù)的方便性，能夠精確的找到待測(cè)溶液所對(duì)應(yīng)的共振角。桂光電池分光計(jì)轉(zhuǎn)盤圖二基于分光計(jì)的SPR傳感器原理圖實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟:1 .傳感中心調(diào)整，利用右圖所示的工具，最終調(diào)整到轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)，激光始終打在頂尖III上。2 .樣品測(cè)量讀數(shù)(1)測(cè)量純凈水(2)測(cè)量不同濃度乙醇溶液圖一純水的9-P曲線（。）由圖可知：純水npsinEp由公式9sp=71.80°二Re（；m）ns2、ReBm）+ns2得:Rem=（nDsin%2ns2ppns2-（nDsin%2pp1.5163sin71.

8、8021.3332“12=-12.3721.3332-1.5163sin71.802.水：乙醇=4:1混合溶液實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理：1.純水:角度e68.069.070.071.071.572.072.573.0光強(qiáng)值p:588500403275167141218232角度e74.075.076.077.078.079.080.0光強(qiáng)值p281380453491511533552利用Origin作出8-P曲線:角度e68.069.070.071.072.073.074.075.0光強(qiáng)值p631604640598606493356292角度e75.576.076.577.078.079.080.0

9、81.0光強(qiáng)值p260255311363392472514552利用Origin作出8-P曲線:由圖可知,所以，ns圖二4:1乙醇的0-P曲線(。)9sp=75.80°.(npsinsp2Re(m)、Re(Bm)-gsin%2(1.5163sin75.80)2(-12.372)-12.372-(1.5163sin75.80)2=1.3563.水：乙醇=1:1混合溶液角度e68.069.070.071.072.073.074.075.075.5光強(qiáng)值p647613664654643574479388277角度e76.076.577.077.578.079.080.081.0光強(qiáng)值259

10、256274297342422475531利用Origin作出9-P曲線:實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)分:自動(dòng)化系09級(jí)學(xué)號(hào)PB09210319姓名王振法日期2011-4-14由圖可知,所以，ns9sp=76.30°(npsin久p2Re(%)、Re(%)-gsin%2(1.5163sin76.30)2(-12.372)1-12.372-(1.5163sin76.30)2=1.359oDoOHWU01由以上結(jié)果可以看出，溶液折射率大小關(guān)系為：1.333<1.356<1.359,由此可以推測(cè)隨著乙醇濃度升高，折射率會(huì)增大。思考題：1.為什么要使用偏振片？答：使用偏振片，一方面減小一部分激光的

11、光強(qiáng)，保護(hù)儀器，另一方面，能夠使出射的光線只剩下P光，能夠產(chǎn)生良好的SPRffl象，便于實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。誤差分析及實(shí)驗(yàn)心得：1 .實(shí)驗(yàn)過程中造成誤差的影響是多方面的，對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理(純水)所作出的理想圖形如下圖所示，然而，對(duì)比實(shí)驗(yàn)所得圖形雖然數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)相同，但形狀還是存在一定差距，由圖像所測(cè)得的共振角有所偏差，而水的共振角的誤差引起Re(j)誤差，對(duì)后續(xù)計(jì)算的折射率造成誤差傳遞。2 .在實(shí)驗(yàn)過程中，改變角度時(shí)由于儀器限制及人的操作問題，導(dǎo)致角度的變化并非是連續(xù)的，這樣很有可能會(huì)錯(cuò)過其共振角的位置，導(dǎo)致所得到的數(shù)據(jù)并非是共振角，并且實(shí)際上光屏不同位置對(duì)激光敏感度不同，即使稍微改變角度，眼睛觀測(cè)到光斑仍位于中線上，但顯示的光強(qiáng)卻