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1、表面等离子共振实验 应物1001 张进保 U201017303【实验原理1. 倏逝波当光线从折射率为n1的光密介质射向折射率为n2的光疏介质时，在两种介质的界面处将同时发生折射和反射，当入射角大于临界角c时，将发生全反射，在全内反射条件下，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倏逝波， 对于无限宽的光束倏逝波的强度随渗入深度z呈e的指数规律衰减，即 其中,(是光在真空中波长) 是倏逝波渗入光疏介质的有效深度(即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，d 随着入射角的增加而
2、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后又返回光密介质，若光疏介质很纯净，不存在对消失波的吸收或散射，则全内反射的光强并不会衰减。反之，若光疏介质中存在能与倏逝波产生上述作用的物质时，全内反射光的强度将会被衰减，这种现象称为衰减全内反射。2.表面等离子共振五十年代，为了解快速电子穿过金属箔时的能量损失，人们进行了大量的实验和理论工作。Pine和Bohm认为，其中能量损失的部分原因是激发了金属箔中电子的等离子体振动（Plasma oscillation），又称为等离子体子（plasmon）。Ritchie从理论上
3、探讨了无限大纯净金属箔中由于等离子体振动而导致的电子能量损失，同时也考虑了有限大金属箔的情况，指出：不仅等离子体内部存在角频率为wp的等离子体振动，而且在等离子体和真空的界面，还存在表面等离子体振动（Surface plasma oscillation），其角频率为p2w。Powell和Swan 用高能电子发射法测定了金属铝的特征电子能量损失，其实验结果可用Ritchie的理论来解释。Stern和Ferrell将表面等离子体振动的量子称为表面等离子体子（Surface plasmon），研究了金属表面有覆盖物时的表面等离子体振动，发现金属表面很薄的氧化物层也会引起这种振动的明显改变。他们还预言
4、：由于表面等离子体振动对表面涂层的敏感，那么通过选择合适的涂层，表面特征能量损失的值会在一定范围内发生变化。除电子以外，用电磁波，如光波，也能激发表面等离子体振动。六十年代晚期，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，为SPR技术的应用起了巨大的推动作用。他们的实验方法简单而巧妙，仍然是目前SPR装置上应用最为广泛的技术。表面等离子体子共振（SPR）是一种物理光学现象。表面等离子体（SP）是沿着金属和电介质间界面传播的电磁波所形成的。当P偏振光以表面等离子体共振角入射在界面上，将发生衰减全反射，入射光被耦合到表面等离子体内，光能被大量的吸
5、收，在这个角度上由于发生了表面等离子体共振从而使得反射光显著减少，利用光在玻璃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子体子。在入射角或波长为某一适当值的条件下, 表面等离子体子与倏逝波的频率和波数相等时, 两者之间将发生共振, 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，如图一所示。这即发生了表面等离子体共振现象。在入射光波长固定的情况下，通过改变入射角度，从而实现角度指示型表面等离子体共振。表面等离子体共振角随液体折射率的变化有如下关系： 根据公式可知，待测液体折射率和共振角之间存在关系，所以在该实验中可以测量不同折射率液体所对应的共振
6、角。从而讨论他们之间的关系。3、与分光计的结合使用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。【实验仪器】分光计、KF-SPR表面等离子共振实验仪、激光器、偏振器、不同折射率的溶液【实验内容】1、调整分光计详见分光计使用说明书，调整分光计的平行光管部件（3）、望远镜部件（8）分别与载物台（5）中心轴垂直。2、实验部件安装和线路连接（1）调整完毕分光计后，连接线路，激光光源（29）接光输出，光电探头（30）接光输入，插上电源线。(2) 撤下平行光管的狭缝装置，将激光光源装入到平行光管内，拧紧固定螺丝；同时拧去分光计的两个物镜，将光电探头装入分光计的望远镜套筒之内（如
7、图一所示），并将偏振器（31）装入平行光管内，把偏振器指针转到90，打开电源开关，观察功率计读数调整激光光源，当数值处于900附近时固定光源。3、传感器中心调整将微调座（32）放到载物台上，固定好调节架后，在调节架中心放上准星（33）（见准星示意图），首先开始粗调，调节载物台锁紧螺钉（6）使激光光斑至图4所示处，转动游标盘一圈，观察激光光斑是否一直射在上，如果不是，则说明激光光线和准星不在一个平面上，分以下两种情况调节： 当转动游标盘一圈，激光光斑始终处于准星某一侧，则说明激光光线有偏移，微调平行光管光轴水平调节螺钉（26），使激光光斑射在上。 当转动游标盘一圈，激光光斑处于准星不同侧，则说明
8、准星不处于分光计中心位置，采用渐近法（与调节分光计中十字光斑方法相同），调节微调座的两颗微调螺钉，使激光光斑射在上。粗调完毕，开始细调，调节平行光管光轴高低调节螺钉（27），使激光光斑射在上，再转动游标盘一圈，观察激光光斑是否一直射在上，如果不是，则说明激光光线和准星仍不在一个平面上，调节方法与粗调一致。调节完毕，继续调节平行光管光轴高低调节螺钉（27），使激光光斑射在上，转动游标盘一圈，观察顶尖处光斑是否一直处于最亮状态，如果不是，继续调节，调节方法同粗调、细调。当激光光斑一直过准星时，中心调节完毕。移去准星，放入敏感部件（34），为接下来读数方便，将游标盘与度盘调整至图五所示位置，调整敏感
9、部件使光0入射，拧紧游标盘止动螺钉（25），转动度盘使度盘0对准游标盘0。拧紧转座与度盘止动螺钉（16），松开游标盘止动螺钉（25），从此刻开始度盘始终保持不动。转动游标盘90观察光是否90入射敏感部件，继续转动游标盘180观察光是否仍90入射敏感部件，如果是，此时则说明敏感部件已调整完毕。将游标盘转回至度盘所示65位置处锁定，测量前准备调节完毕。4、测量纯净水与酒精的相对光强与入射角的关系 在敏感元件中分两次注入纯净水与酒精，测量不同溶液的相对光强与入射角的关系。保持度盘和游标盘不动，转动支臂（14），观察功率计读数，记录其中的最大读数，保持度盘不动，转动游标盘1至66固定，再转动支臂记录最
10、大读数。以此类推，以每1来增加入射角，记录功率计最大读数，直至入射角为88。【数据处理】1. 实验数据无水乙醇 入射角折射光强 65.0096866.00100767.00100568.00101869.00100570.00102071.00101772.0098573.0092674.0084575.0071376.0047176.5036476.7034876.9034077.0034177.1033677.3037277.5039678.0047579.0066080.0079581.0085882.0087883.0094184.0093485.0094786.0099287.00100288.001052纯水 入射角折射光强 65.0070166.0072367.0073768.0072369.0069270.0063571.0053971.3050371.5048871.7046372.0044772.3043272.5046173.0047873.5052474.0055275.0059376.0063777.0065878.00682由其可知，纯水的共振角在72.30左右，无水乙醇的共振角在77.10左右。由公式可知越大，越大。可推测随溶液的浓度增大共振角也会增大。由参考资料可知，溶液浓度与折射率线性相关，则其中k为一系数，与溶液种类相关，b为纯水的折射率。
