表面等离激元共振

1、实验名称：表面等离激元共振法测液体折射率实验实验目的：1、了解全反射中倏逝波的概念2、观察表面等离激元共振现象，研究其共振角随折射率的变化3、进一步熟悉和了解分光计的调节和使用4、了解和掌握共振角测量的方法，以及计算折射率的原理和方法实验原理：在电磁场的作用下，材料中的自由电子会在金属表面发生集体振荡，产生表面等离激元；共振状态下电磁场的能量被有效转换为金属表面自由电子的集体振动能。当入射光从折射率为n1的光密介质照射到折射率为n2的光疏介质，当入射角大于临界角c时,将发生全反射，在全内反射（TIR）条件下，入射光的能量没有损失，但光的电场强度在界面处并不立即减小为零，而会渗入光疏介质中产生消

2、失波，光波并不是绝对地在界面上被全反射回光密介质，而是渗入光疏介质大约一个波长的深度，并沿着界面流过波长量级距离重新返回光密介质，沿着反射光方向射出。这个沿着光疏介质表面流动的波称为倏逝波。对于倏逝波在金属内部的分布是随着与表面垂直距离z的增大而呈指数衰减，即 (1)其中 (是光在真空中的波长)是倏逝波渗入光疏介质的有效深度(光波的电场衰减至表面强度的1/e时的深度)。可见入射的有效深度d 不受入射光偏振化程度的影响，除，的特殊条件外（为布儒斯特角），d 随着入射角的增加而减小，其大小是的数量级甚至更小。因为倏逝波的存在，在界面处发生全内反射的光线，实际上在光疏介质中产生大小约为半个波长的位移

3、后又返回光密介质。表面等离激元共振（SPR）是倏逝波以衰减全反射的方式激发表面等离激元波（SPW），当SPW波矢与倏逝波的波矢大小相等、方向相同时，产生共振，导致入射光的反射光强降至最低。如果在两种介质界面之间存在几十纳米的金属薄膜，那么全反射时产生的倏逝波的P偏振分量（P波）将会进入金属薄膜，与金属薄膜中的自由电子相互作用，激发出沿金属薄膜表面传播的表面等离子体波（SPW）。当入射光的角度或波长到某一特定值时，入射光的大部分会转换成SPW的能量，从而使全反射的反射光能量突然下降，在反射谱上出现共振吸收峰，此时入射光的角度或波长称为SPR的共振角或共振波长。SPR的共振角或共振波长与金属薄膜表

4、面的性质密切相关，如果在金属薄膜表面附着被测物质（一般为溶液或者生物分子），会引起金属薄膜表面折射率的变化，从而SPR光学信号发生改变，根据这个信号，就可以获得被测物质的折射率或浓度等信息，达到生化检测的目的。表面等离激元(SP)是沿着金属和电介质之间的界面传播的电磁波所形成的。当P偏振光以表面等离激元共振角入射到界面上，将发生衰减全反射：入射光被耦合到表面等离激元内，光能被大量吸收，在这个角度上由于发生了表面等离激元共振从而使得反射光显著减少。光在界面处发生全内反射时的倏逝波，可以引发金属表面的自由电子产生表面等离激元。在入射角或波长为适当值时，表面等离激元与倏逝波的频率相等，两者之间发生共

5、振。入射光被吸收，使反射光能量急剧下降，在反射光谱上出现共振吸收峰，这就是表面等离激元共振现象。在入射光波长固定的情况下，通过改变入射角，也可以实现角度指示型表面等离激元共振。Kx电介质金属膜柱面棱镜反射光入射光KspSPW如图所示，当P偏振光（振动方向在入射面内）通过柱面棱镜照射到金属表面时，入射光波矢k在x方向上的投影为 (2)图一 表面等离激元共振示意图式中，是入射光在自由空间中的波矢，是入射光在自由空间中的波长，是柱面棱镜的折射率（折射率有实部、虚部，本实验所指折射率均指折射率的实部），为入射角。根据Maxwell方程，可以推导出表面等离激元波的波矢ksp（如图所示）的模为 (3) 其

6、中，是金属的介电常数，ns是待研究介质的折射率。当kxksp时，入射光波就会在金属表面形成表面等离激元共振。 (4)上式就是产生SPR现象的条件。采用角度指示型检测方式，调节入射角1，反射光强最低时对应的共振角sp满足： (5)由于所采用的金属介电常数的实部绝对值远大于虚部绝对值，则公式（5）可进一步简化为： (6)根据（6）式可知待测液体折射率和共振角之间的关系，实验中可利用该式测量不同液体的折射率。 仪器基本原理图如图二所示。结合分光计的精度和角度读数的方便性，能够精确的找到待测溶液所对应的共振角。图二 基于分光计的SPR传感器原理图实验内容及步骤：1. 传感中心调整，利用右图所示的工具，

7、最终调整到转动载物台，激光始终打在顶尖III上。2. 样品测量读数（1） 测量纯净水（2） 测量不同浓度乙醇溶液实验数据及数据处理：1. 纯水：角度68.069.070.071.071.572.072.573.0光强值P588500403275167141218232角度74.075.076.077.078.079.080.0光强值P281380453491511533552利用Origin作出-P曲线：图一 纯水的-P曲线(°)由图可知：纯水sp=71.80°由公式得：2. 水:乙醇=4:1混合溶液角度68.069.070.071.072.073.074.075.0光强值

8、P631604640598606493356292角度75.576.076.577.078.079.080.081.0光强值P260255311363392472514552利用Origin作出-P曲线：图二 4:1乙醇的-P曲线(°)由图可知，sp=75.80°所以，3. 水:乙醇=1:1混合溶液角度68.069.070.071.072.073.074.075.075.5光强值P647613664654643574479388277角度76.076.577.077.578.079.080.081.0光强值259256274297342422475531利用Origin作出

9、-P曲线：图三 1:1乙醇的-P曲线(°)由图可知，sp=76.30°所以，由以上结果可以看出，溶液折射率大小关系为：1.333<1.356<1.359,由此可以推测随着乙醇浓度升高，折射率会增大。思考题：1. 为什么要使用偏振片？答：使用偏振片，一方面减小一部分激光的光强，保护仪器，另一方面，能够使出射的光线只剩下P光，能够产生良好的SPR现象，便于实验观测。误差分析及实验心得：1. 实验过程中造成误差的影响是多方面的，对于实验数据的处理（纯水）所作出的理想图形如下图所示，然而，对比实验所得图形虽然数据变化趋势相同，但形状还是存在一定差距，由图像所测得的共振角有所偏差，而水的共振角的误差引起误差，对后续计算的折射率造成误差传递。2. 在实验过程中，改变角度时由于仪器限制及人的操作问题，导致角度的变化并非是连续的，这样很有可能会错过其共振角的位置，导致所得到的数据并非是共振角，并且实际上光屏不同位置对激光敏感度不同，即使稍微改变角度，眼睛观测到光斑仍位于中线上，但显示的光强却有很大的不同，即偏离一小段位置对所测功率的影响