表面等离子体子光波导传感器

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1、表面等离子体子共振 （Surface Plasmon Resonance ） 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

2、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（ Surface Plasma Wave-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36 m 。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

3、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（ Surface Plasma Wave）？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：1)SPW一定是TM波（ P偏振光）；2)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；3)SPW传播常数：表面等离子体子共振SPR（ Surface Plasmon Resonance ）利用光在发生全反

4、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 ( Attenuated Total Reflection-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, 光线线在界面处处的全内反射将产产生一个位移D (古 斯-汉森位移), 即将沿X 轴轴方向传传播一定距离。若光疏介质质对光 线没有吸

5、收并无其它损损耗, 则则全内反射强度并不会被衰减, 消失 波沿光疏介质质表面在x 方向传传播约约半个波长长, 再返回光密介质质。 反之, 光能会损损失,这样引起的能量损失称为衰减全反射(ATR) 衰减全反射ATR ( Attenuated Total Reflection-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

6、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。棱镜金属介质OttoOtto结构结构棱镜金属膜 KretschmannKretschmann结构结构表面等离子体子其他激发方式 (a) two-layer Kretschmann geometry, (b) excitation with a SNOM probe, (c) diff

7、raction on a grating, (d) diffraction on surface features. 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

8、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Otto棱镜型光纤在

9、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

10、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

11、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）、扫扫描近场场光学显显微技术术、薄膜光学和膜厚测测量、全息成像技术术、Q开关、精密角度测测量等领领域。 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

12、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

13、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.棱镜银模+液晶+导电玻璃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 镉激光. 曝光时间为25s. 显影 后将底片置于成像光路中。成像光路结构是Kretschmann型 SPR配置. 银膜表面共振的SPW被 全息照片上的刻痕散射并辐射光 ,从而产生全息虚像。再现光束以76.36, 60. 17, 44. 94(对应波导层中的3 个模 式TM0, TM1, TM2)射入时,观察 到了再现图像.优点是成像时不存在照明光的零 级散射干扰;记录时的入射角和 成像时的入射角无关。