光波导理论与技术-表面等离子体子光波导传感器要点.ppt

表面等离子体子共振（SurfacePlasmonResonance）光波导传感器,2006年3月,electron电子photon光子magnon磁子proton质子neutron中子phonon声子plasmon表面等离子体子，是指金属表面沿着金属和介质界面传播的电子疏密波，由金属和空气界面上表面电磁波的激发而产生。plasmon具有波粒二象性,其粒子性体现为它是具有能量的量子,其波动性体现为它是在薄膜表面上传播的电子疏密波。,金属包层平板介质波导,用于集成光学器件，介质波导中沉积金属膜或在金属膜基底上沉积介质波导层；金属对光频有强力的吸收作用，电磁场仅在很薄的一层内以衰减场形式存在；在光频电场的作用下，在金属层内可激发出等离子体振荡，即在金属和介质的交界面出现等离子体表面波（SurfacePlasmaWave-SPW）；,金属的光频特性,金属的电容率（介电常数）是复数，实部为负，且绝对值大于虚部：光在金属中传播必须考虑电导率的影响，麦克斯韦尔方程：波动方程：,复折射率：电场矢量写成：代入复折射率：折射率的实部决定波的相速度，虚部决定媒质的吸收而产生的波振幅的衰减，因此称虚部为消光系数或衰减系数。衰减系数如虚部等于0.005的金属，波长为1.0m的光传输距离为36m。等离子体：宏观上呈电中性、体内所含正电荷数与负电荷数几乎处处相等的多粒子系。金属中的自由电子被局限在正离子构成的晶体点阵内作无规则运动，单位体积内自由电子所带的负电荷数与正离子所带的正电荷数相等，呈等离子状态。,等离子体表面波及存在的条件,什么是等离子体表面波SPW（SurfacePlasmaWave）？指在一定条件下，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距离按指数衰减。SPW存在条件：SPW一定是TM波（P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，金属和电介质的分界面存在SPW；SPW传播常数：,表面等离子体子共振SPR（SurfacePlasmonResonance）,利用光在发生全反射时的消逝波,激发金属表面的自由电子产生等离子体表面波。当消逝波与等离子体表面波传播常数相等时发生共振，称此时的入射角为共振角。设入射光角频率为，在棱镜底面全反射时的入射角为，则消逝波在界面x方向的传播常数为：金属表面等离子波传播常数：共振角,x,衰减全反射ATR(AttenuatedTotalReflection-ATR),一旦入射P偏振光与SPW耦合并产生共振，SPW可增强几百倍，称为表面等离子体共振SPR。衰减全反射(ATR)：因消失波的存在,光线在界面处的全内反射将产生一个位移D(古斯-汉森位移),即将沿X轴方向传播一定距离。若光疏介质对光线没有吸收并无其它损耗,则全内反射强度并不会被衰减,消失波沿光疏介质表面在x方向传播约半个波长,再返回光密介质。反之,光能会损失,这样引起的能量损失称为衰减全反射(ATR),衰减全反射ATR(AttenuatedTotalReflection-ATR),共振时界面处的全反射条件将被破坏,呈现全反射衰减现象,使反射光能量急剧下降,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ATR。影响SPR的因素：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；,等离子体表面波激发方式,空间光与SPW耦合的典型结构：Otto结构：金属和全内反射表面之间有约几十纳米的介质间隙,金属可以是半无限宽。入射光在棱镜底面发生全内反射,而消失波作用于间隙与金属界面,并在此界面发生SPR。Kretschmann结构：采用真空蒸镀,磁控溅射等方法直接在全内反射表面镀一层几十纳米厚的金属，应用最广。消失波透过金属薄膜,在金属膜外侧界面处发生表面等离子体子共振。,表面等离子体子其他激发方式,(a)two-layerKretschmanngeometry,(b)excitationwithaSNOMprobe,(c)diffractiononagrating,(d)diffractiononsurfacefeatures.,SPR传感器的实际应用,SPR传感器可获取紧靠在金属薄膜表面介质层的光学常数,从而进一步得到介质的其它信息，如：由膜厚估计成膜物质的结构排列；由介质的折射率、膜厚度、吸收系数计算吸附物质的质量,进而求得相互作用的生物大分子之间键的参数；主要用于生物科学和生命科学领域：抗原-抗体反应测定：用于免疫分析，选择不同抗体用于治疗、检测、诊断。蛋白质相互作用分析；DNA与蛋白质相互作用分析，此前一直没有简便快捷的方法；实时监测DNA分子间的相互作用：SPR不仅可用于研究蛋白质-蛋白质,蛋白质-DNA之间的相互作用,也可用于研究核酸间的相互作用,实时追踪核酸反应的全过程,包括基因装配、DNA合成延伸、DNA的特异切割。药物筛选及鉴定；药物筛选是SPR技术的另一个应用热点。,SPR生物传感器,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；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化；SPR实时检测折射率变化，监控溶液中的被分析物与该配体的结合过程；特点：实时过程检测、无需标记、耗样最少等。,SPR传感器基本结构与耦合方式,基本组成：光波导耦合器件金属膜分子敏感膜耦合方式：,Krestschmann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：角度调制：固定in，改变in波长调制：固定in，改变in强度调制：固定in、in，改变光强相位调制：固定in、in，测相位变化传感器灵敏度：特征参数：共振角(或共振波长)、共振半峰宽度(共振峰高一半处的波宽)和共振深度(共振峰的高度,即相对能量反射率)。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d（一般在55nm左右）、折射率n和吸收系数k。,角度调制原理SPR传感器,单色光源，即固定波长；SPR对附着在金属薄膜表面的介质折射率非常敏感,当表面介质的属性改变或者附着量改变时，共振角将不同。因此，SPR谱（共振角对时间的变化）能够反映与金属膜表面接触的体系的变化。,波长调制原理SPR传感器,固定入射角而改变波长；光源发出的复色光，经准直后变成平行偏振光以一定的角度照射，在棱镜底部全反射，携带被测信息输出经透镜进光纤，由光栅对不同波长分光（光栅单色仪），CCD检测不同波长光的强度。,相位调制原理SPR传感器,横向塞曼激光器能直接输出正交偏振态、低频差的线偏振光，P偏振光能激发等离子体共振；S偏振光与P偏振光之间的频差稳定，却可以细分提高相位分辨率；SPR共振发生时,P偏振光的相位变化,而S偏振光几乎不变,两分量之间产生相位差。相位差随生物分子与传感层上的分子结合强度和速率变化。利用双频干涉原理检测相位变化。,1：横向塞曼稳频激光器；7、13：偏振片；8、12：光电接收器；9、11：前置放大器10：相位计14：计算机26：SPR传感器,SPR传感器其他应用,其他应用：航天医学、生物芯片（利用SPR相位调制检测蛋白质芯片）、扫描近场光学显微技术、薄膜光学和膜厚测量、全息成像技术、Q开关、精密角度测量等领域。,SPR应用于近场扫描光学显微技术,NSOM的光纤微探针尖端无法做得很细,因此分辨率只能达到十几纳米,不能象STM和AFM那样达到原子级分辨率。SPW在金属表面传播时,遇到杂质、缺陷等将会发生散射,此处共振的SPW作圆锥辐射,圆锥顶角与入射角相同。若AFM的实心针尖在金属表面扫描,将作为一个散射中心,辐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,一般用一个锁相放大器以一定频率驱动微悬臂,并检测光电转换器件的输出信号中的同频成分.,薄膜光学和膜厚测量,在Kretschmann型SPR配置中的金属膜上覆盖待测薄膜,依据测得的ATR曲线,可以用双层膜菲涅尔公式拟合计算待测薄膜的光学参数和膜厚。如图配置可通过银膜和导电玻璃向液晶施加不同的电压，通过测量和计算,可以得出不同电压下液晶薄膜的厚度和介电常数,并借以推断不同电压下液晶分子的排列方式。与其他膜厚测量方法相比（如椭圆偏振仪），SPR技术具有灵敏度高、分辨率高等优点,特别适合纳米量级的膜厚测量，而且可以测量不透光的薄膜.,全息成像技术,底片为玻璃基底-银膜-光刻胶结构,银膜厚度35nm,光刻胶厚度65nm.记录光路使用0.9mW的氦镉