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 电子电子photon 光子光子magnon 磁子磁子 proton 质子质子neutron 中子中子phonon 声子声子 plasmon plasmon 表面等离子体子，表面等离子体子，表面等离子体子，表面等离子体子，是指金属表面沿着金属和是指金属表面沿着金属和介质界面传播的电子疏密波介质界面传播的电子疏密波，由，由金属和空气界面上表面电金属和空气界面上表面电磁波的激发而产生。磁波的激发而产生。plasmonplasmon具有波粒二象性具有波粒二象性, ,其粒子性体现为它是

2、具有能量的其粒子性体现为它是具有能量的量子量子 , 其波动性体现为它是在薄膜表面上传播的电子疏密其波动性体现为它是在薄膜表面上传播的电子疏密波。波。金属包层平板介质波导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用于集成光学器件，介质波导中沉积金属膜或在金属膜基用于集成光学器件，介质波导中沉积金属膜或在金属膜基用于集成光学器件，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；底上沉积介质波导层；底上沉积介质波导层；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金属对光频有强力的吸收作用，电磁场仅在很薄的一层内金属对光频有强力的吸收作用，电磁

3、场仅在很薄的一层内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；以衰减场形式存在；以衰减场形式存在；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，在光频电场的作用下，在金属层内可激发出等离子体振荡，在光频电场的作用下，在金属层内可激发出等离子体振荡，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（即在金属和介质的交界面出现等离子体表面波（即在金属和介质的交界面出现等离子体表面波（即在金属和介质的交界面出现等离子体表面波（ Surface Surface Plasma Wave-SPWPlasma Wav

4、e-SPW ）；）；）；）；金属的光频特性金属的光频特性金属的电容率（介电常数）是复数，实部为负，且绝对值大金属的电容率（介电常数）是复数，实部为负，且绝对值大金属的电容率（介电常数）是复数，实部为负，且绝对值大金属的电容率（介电常数）是复数，实部为负，且绝对值大于虚部：于虚部：于虚部：于虚部：光在金属中传播必须考虑电导率的影响，光在金属中传播必须考虑电导率的影响，光在金属中传播必须考虑电导率的影响，光在金属中传播必须考虑电导率的影响，麦克斯韦尔方程：麦克斯韦尔方程：麦克斯韦尔方程：麦克斯韦尔方程：波动方程：波动方程：波动方程：波动方程：复折射率：复折射率：复折射率：复折射率：电场矢量写成：电

5、场矢量写成：电场矢量写成：电场矢量写成：代入复折射率：代入复折射率：代入复折射率：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。振幅的衰减，因此称虚部为消光系数或衰减系数。振幅的衰减，因此称虚部为消光系数或衰减系数。振幅的衰减，因此称虚部为消光系数或衰减系数。 衰减系数衰减系数衰减系数衰减系数 如虚部等于如虚部等于0.005 的金属，的金属，波长为波长为1.0

6、 m的光传输距离为的光传输距离为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等离子体：宏观上呈电中性、体内所含正电荷数与负电荷等离子体：宏观上呈电中性、体内所含正电荷数与负电荷等离子体：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。数几乎处处相等的多粒子系。数几乎处处相等的多粒子系。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规

7、则运动，单位体积内自由电子所带的负电荷数与正离子规则运动，单位体积内自由电子所带的负电荷数与正离子规则运动，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。所带的正电荷数相等，呈等离子状态。所带的正电荷数相等，呈等离子状态。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等离子体表面波及存在的条件什么是等离子体表面波什么是等离子体表面波什么是等离子体表面波什么是等离子体表面波SPWSPWSPWSPW（ Surface Plasma WaveSurface 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指在一定条件下，出现在金属与

8、电介质分界面上传播的指在一定条件下，出现在金属与电介质分界面上传播的指在一定条件下，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。平面电磁波，其振幅随离开分界面的距离按指数衰减。平面电磁波，其振幅随离开分界面的距离按指数衰减。平面电磁波，其振幅随离开分界面的距离按指数衰减。SPWSPWSPWSPW存在条件：存在条件：存在条件：存在条件：1)1)1)1)SPWSPWSPWSPW一定是一定是一定是一定是TMTMTMTM波（波（波（波（ P P P P偏振光）；偏振光）；偏振光）；偏振光）；2)2)2)2)只存在于两侧电容率符号相反的分界面，在光频范围内，只存在于两

9、侧电容率符号相反的分界面，在光频范围内，只存在于两侧电容率符号相反的分界面，在光频范围内，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金属和电介质的分界面存在金属和电介质的分界面存在金属和电介质的分界面存在SPWSPWSPWSPW；3)3)3)3)SPWSPWSPWSPW传播常数：传播常数：传播常数：传播常数：表面等离子体子表面等离子体子共振共振SPRSPR （ Surface Plasmon Resonance ）利用光在发生全反射时的消逝波利用光在发生全反射时的消逝波利用光在发生全反射时的消逝波利用光在发生全反射时的消逝波, , , , 激发金属表面的自由电激

10、发金属表面的自由电激发金属表面的自由电激发金属表面的自由电子产生等离子体表面波。子产生等离子体表面波。子产生等离子体表面波。子产生等离子体表面波。当当当当消逝波与等离子体表面波传播常数消逝波与等离子体表面波传播常数消逝波与等离子体表面波传播常数消逝波与等离子体表面波传播常数相等时发生共振，称相等时发生共振，称相等时发生共振，称相等时发生共振，称此时的入射角为共振角。此时的入射角为共振角。此时的入射角为共振角。此时的入射角为共振角。 设入射光角频率为设入射光角频率为设入射光角频率为设入射光角频率为 ，在棱镜底面全反射时的入射角为，在棱镜底面全反射时的入射角为，在棱镜底面全反射时的入射角为，在棱镜

11、底面全反射时的入射角为 ，则消逝波则消逝波则消逝波则消逝波在界面在界面在界面在界面x x方向的传播常数为：方向的传播常数为：方向的传播常数为：方向的传播常数为： 金属表面等离子波传播常数：金属表面等离子波传播常数：金属表面等离子波传播常数：金属表面等离子波传播常数： 共振角共振角共振角共振角x衰减全反射衰减全反射ATR ( Attenuated Total Reflection-ATR)一旦一旦入射入射P P偏振光偏振光偏振光偏振光与与SPW耦合并产生共振耦合并产生共振，SPWSPW可增强几百可增强几百倍，倍，称为表面等离子体共振称为表面等离子体共振SPR 。衰减全反射衰减全反射衰减全反射衰减

12、全反射( ( ( (ATR)ATR)ATR)ATR)：因消失波的存在因消失波的存在因消失波的存在因消失波的存在, , , , 光光光光线线在界面在界面在界面在界面处处的全内反射将的全内反射将的全内反射将的全内反射将产产生一个位移生一个位移生一个位移生一个位移D D D D ( ( ( (古斯古斯古斯古斯- - - -汉森位移汉森位移汉森位移汉森位移) ) ) ), , , , 即将沿即将沿即将沿即将沿X X X X 轴轴方向方向方向方向传传播一定距离。若光疏介播一定距离。若光疏介播一定距离。若光疏介播一定距离。若光疏介质质对光线对光线对光线对光线没没没没有吸收有吸收有吸收有吸收并无并无并无并无

13、其它其它其它其它损损耗耗耗耗, , , , 则则全内反射全内反射全内反射全内反射强强强强度并不会被衰减度并不会被衰减度并不会被衰减度并不会被衰减, , , , 消失波沿光消失波沿光消失波沿光消失波沿光疏介疏介疏介疏介质质表面在表面在表面在表面在x x x x 方向方向方向方向传传播播播播约约半个波半个波半个波半个波长长, , , , 再返回光密介再返回光密介再返回光密介再返回光密介质质。反之。反之。反之。反之, , , , 光光光光能会能会能会能会损损失失失失, , , ,这样引起的能量损失称为衰减全反射这样引起的能量损失称为衰减全反射这样引起的能量损失称为衰减全反射这样引起的能量损失称为衰减

14、全反射( ( ( (ATR)ATR)ATR)ATR) 衰减全反射衰减全反射ATR ( Attenuated Total Reflection-ATR) 共振时界面处的全反射条件将被破坏共振时界面处的全反射条件将被破坏共振时界面处的全反射条件将被破坏共振时界面处的全反射条件将被破坏, , , , 呈现全反射衰减现呈现全反射衰减现呈现全反射衰减现呈现全反射衰减现象象象象, , , ,使反射光能量急剧下降使反射光能量急剧下降使反射光能量急剧下降使反射光能量急剧下降, , , , 在反射光谱上出现共振峰，即在反射光谱上出现共振峰，即在反射光谱上出现共振峰，即在反射光谱上出现共振峰，即反射率出现最小值，

15、反射率出现最小值，反射率出现最小值，反射率出现最小值，称为衰减全反射称为衰减全反射ATR 。影响影响SPRSPR的因素：的因素：金属膜表面介质的光学特性、厚度；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；入射光的入射角、波长和偏振状态； 等离子体表面波等离子体表面波激发方式激发方式空间光与空间光与空间光与空间光与SPWSPW耦合的典型结构：耦合的典型结构：耦合的典型结构：耦合的典型结构：OttoOtto结构：结构：结构：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和全内反射表面之间有约几十纳米的介质间隙, ,金金属可以是半无限宽。入射光在棱镜底面发生全内反射属可以

16、是半无限宽。入射光在棱镜底面发生全内反射, , 而消失波而消失波作用于间隙与金属界面作用于间隙与金属界面, , 并在此界面发生并在此界面发生SPRSPR。KretschmannKretschmann结构：结构：结构：结构：采用真空蒸镀采用真空蒸镀, ,磁控溅射等方法直接在全内反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膜, , 在金属膜外侧界面处发生表面等离子体子共振。在金属膜外侧界面处发生表面等离子体子共振。棱镜金属介质金属介质OttoOtto结构结构结构结构棱镜金属膜KretschmannKr

17、etschmann结构结构结构结构表面等离子体子其他激发方式表面等离子体子其他激发方式 ( (a) two-layera) two-layer Kretschmann Kretschmann geometry, geometry, (b) excitation with a SNOM probe, (b) excitation with a SNOM probe, (c) diffraction on a grating, (c) diffraction on a grating, (d) diffraction on surface features. (d) diffraction on

18、surface features. SPRSPR传感器的实际应用传感器的实际应用SPRSPR传感器可获取紧靠在金属薄膜表面介质层的光学常数传感器可获取紧靠在金属薄膜表面介质层的光学常数, , 从而进一步得从而进一步得到介质的其它信息，如：到介质的其它信息，如：由膜厚估计成膜物质的结构排列；由膜厚估计成膜物质的结构排列；由介质的折射率由介质的折射率、膜厚度膜厚度、吸收系数计算吸附物质的质量吸收系数计算吸附物质的质量, , 进而求得相互作进而求得相互作用的生物大分子之间键的参数；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：主要用于生物科学和生命科学领域：抗原抗原- - 抗体反应测定

19、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。：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；蛋白质相互作用分析；DNA DNA 与蛋白质相互作用分析，此前一直没有简便快捷的方法；与蛋白质相互作用分析，此前一直没有简便快捷的方法；实时监测实时监测DNA DNA 分子间的相互作用：分子间的相互作用：SPRSPR不仅可用于研究蛋白质不仅可用于研究蛋白质- - 蛋白质蛋白质, , 蛋蛋白质白质- -DNA DNA 之间的相互作用之间的相互作用, , 也可用于研究核酸间的相互作用也可用于研究核酸间的相互作用, ,实时追踪核酸实时追踪核酸反应的全过程反应的全过程,

20、,包括基因装配、包括基因装配、DNA DNA 合成延伸、合成延伸、DNA DNA 的特异切割。的特异切割。药物筛选及鉴定；药物筛选是药物筛选及鉴定；药物筛选是SPR SPR 技术的另一个应用热点。技术的另一个应用热点。SPR SPR 生物传感器生物传感器检测过程：检测过程：检测过程：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；将一种具特异识别属性的分子即配体固定于金属膜表面；将一种具特异识别属性的分子即配体固定于金属膜表面；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在复合物形成或解离过程中在复合物形成或解离过程中在复合物形成或解离过程中, , ,

21、 ,金属膜表面溶液的折射率发金属膜表面溶液的折射率发金属膜表面溶液的折射率发金属膜表面溶液的折射率发生变化；生变化；生变化；生变化；SPRSPRSPRSPR实时检测折射率变化，监控溶液中的被分析物与该配实时检测折射率变化，监控溶液中的被分析物与该配实时检测折射率变化，监控溶液中的被分析物与该配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；体的结合过程；体的结合过程；体的结合过程；特点：实时过程检测、无需标记、耗样最少等。特点：实时过程检测、无需标记、耗样最少等。特点：实时过程检测、无需标记、耗样最少等。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传感器

22、基本结构与耦合方式基本组成：基本组成：基本组成：基本组成： 光波导耦合器件光波导耦合器件光波导耦合器件光波导耦合器件 金属膜金属膜金属膜金属膜 分子敏感膜分子敏感膜分子敏感膜分子敏感膜耦合方式：耦合方式：耦合方式：耦合方式：Krestschmann棱镜型Otto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：检测方式：检测方式：检测方式：角度调制：固定角度调制：固定角度调制：固定角度调制：固定inininin，改变，改变，改变，改变inininin波长调制：波长调制：波长调制：波长调制：固定固定固定固定inini

23、nin ，改变，改变，改变，改变inininin强度调制：强度调制：强度调制：强度调制：固定固定固定固定inininin 、inininin，改变光强，改变光强，改变光强，改变光强相位调制：相位调制：相位调制：相位调制：固定固定固定固定inininin 、inininin，测相位变化，测相位变化，测相位变化，测相位变化传感器灵敏度：传感器灵敏度：传感器灵敏度：传感器灵敏度：特征参数：共振角特征参数：共振角特征参数：共振角特征参数：共振角( ( ( (或共振波长或共振波长或共振波长或共振波长) ) ) ) 、共振半峰宽度、共振半峰宽度、共振半峰宽度、共振半峰宽度 ( ( ( (共共共共振峰高一半

24、处的波宽振峰高一半处的波宽振峰高一半处的波宽振峰高一半处的波宽) ) ) ) 和共振深度和共振深度和共振深度和共振深度( ( ( (共振峰的高度共振峰的高度共振峰的高度共振峰的高度, , , ,即相即相即相即相对能量反射率对能量反射率对能量反射率对能量反射率) ) ) ) 。特征参数取决于金属薄膜及其表面介质的光学参数特征参数取决于金属薄膜及其表面介质的光学参数特征参数取决于金属薄膜及其表面介质的光学参数特征参数取决于金属薄膜及其表面介质的光学参数: : : :膜膜膜膜厚度厚度厚度厚度d d d d（一般在一般在一般在一般在55555555nm nm nm nm 左右左右左右左右）、折射率）、

25、折射率）、折射率）、折射率n n n n 和吸收系数和吸收系数和吸收系数和吸收系数k k k k 。角度调制原理角度调制原理SPRSPR传感器传感器单色光源，即固定波长；单色光源，即固定波长；SPRSPR对附着在金属薄膜表面的介质折射率非常敏感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，将不同。因此，SPRSPR谱（共振角对时间的变化）能够谱（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。反映与金属膜表面接触的体系的变化。波长调制原理波长调制原理SPRSPR传感器传感器固定入射角

26、而改变波长；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），光纤，由光栅对不同波长分光（光栅单色仪），CCDCCD检测不检测不同波长光的强度。同波长光的强度。相位调制原理相位调制原理SPRSPR传感器传感器横向塞曼激光器能直接输出正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，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 S 偏振光与偏振光与P P 偏振光之

27、间的频偏振光之间的频差稳定，却可以细分提高相位差稳定，却可以细分提高相位分辨率；分辨率；SPRSPR共振发生时共振发生时, ,P P 偏振光的相偏振光的相位变化位变化, ,而而S S 偏振光几乎不变偏振光几乎不变, ,两分量之间产生相位差。相位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差随生物分子与传感层上的分子结合强度和速率变化。子结合强度和速率变化。利用双频干涉原理检测相位变利用双频干涉原理检测相位变化。化。1：横向塞曼稳频激光器；：横向塞曼稳频激光器；7、13：偏振片；：偏振片；8、12：光电接收器；：光电接收器；9、11：前置放大器：前置放大器10：相位计：相位计14 ：计算

28、机：计算机26：SPR传感器传感器SPR 传感器其他应用传感器其他应用 其他应用其他应用其他应用其他应用：航天医学、航天医学、航天医学、航天医学、生物芯片（生物芯片（生物芯片（生物芯片（利用利用SPR 相位调制检测蛋白质芯片）、）、）、）、扫扫描近描近描近描近场场光学光学光学光学显显微技微技微技微技术术、薄膜光学和膜厚薄膜光学和膜厚薄膜光学和膜厚薄膜光学和膜厚测测量、量、量、量、全息成像技全息成像技全息成像技全息成像技术术、Q Q Q Q开关、开关、开关、开关、精密角度精密角度精密角度精密角度测测量等量等量等量等领领域域域域。 SPR应用于近场扫描光学显微技术应用于近场扫描光学显微技术NSOM

29、 NSOM 的光纤微探针尖端无法做得很细的光纤微探针尖端无法做得很细, ,因此分辨率只能达因此分辨率只能达到十几纳米到十几纳米, ,不能象不能象STMSTM和和AFMAFM那样达到原子级分辨率。那样达到原子级分辨率。SPW SPW 在金属表面传播时在金属表面传播时, ,遇到杂质、缺陷等将会发生散射遇到杂质、缺陷等将会发生散射, ,此处共振的此处共振的SPWSPW作圆锥辐射作圆锥辐射, ,圆锥顶角与入射角相同。圆锥顶角与入射角相同。若若AFMAFM的实心针尖在金属表面扫描的实心针尖在金属表面扫描, ,将作为一个散射中心将作为一个散射中心, ,辐辐射出的圆锥形光携带针尖处的信息射出的圆锥形光携带针

30、尖处的信息. . 由于圆锥辐射光比较微弱由于圆锥辐射光比较微弱, , 一般用一个锁相放大器以一般用一个锁相放大器以 一定频率驱动微悬臂一定频率驱动微悬臂, ,并检并检 测光电转换器件的输出信测光电转换器件的输出信 号中的同频成分号中的同频成分. .薄膜光学和膜厚测量薄膜光学和膜厚测量在在KretschmannKretschmann型型SPRSPR配置中的金属膜上覆盖待测薄膜配置中的金属膜上覆盖待测薄膜, ,依依据测得的据测得的ATR ATR 曲线曲线, , 可以用双层膜菲涅尔公式拟合计算待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。测薄膜的光学参数和膜厚。 如图配置可通过银膜和导电

31、玻璃向液晶施加不同的电压，如图配置可通过银膜和导电玻璃向液晶施加不同的电压，通过测量和计算通过测量和计算, ,可以得出不同电压下液晶薄膜的厚度和可以得出不同电压下液晶薄膜的厚度和介电常数介电常数, ,并借以推断不同电压下液晶分子的排列方式。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），与其他膜厚测量方法相比（如椭圆偏振仪），SPRSPR技术具技术具有灵敏度高、分辨率高等优点有灵敏度高、分辨率高等优点, ,特别适合纳米量级的膜厚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全息成像技术

32、底片为玻璃基底底片为玻璃基底- -银膜银膜- -光刻胶结光刻胶结构构, , 银膜厚度银膜厚度3535nm,nm,光刻胶厚度光刻胶厚度6565nm. nm. 记录光路使用记录光路使用0. 9mW的氦的氦镉激光镉激光. . 曝光时间为曝光时间为2525s. s. 显影显影后将底片置于成像光路中。后将底片置于成像光路中。成像光路结构是成像光路结构是KretschmannKretschmann型型SPRSPR配置配置. . 银膜表面共振的银膜表面共振的SPWSPW被被全息照片上的刻痕散射并辐射光全息照片上的刻痕散射并辐射光, ,从而产生全息虚像。从而产生全息虚像。再现光束以再现光束以76.36, 60. 17, 44. 94(对应波导层中的对应波导层中的3 个模式个模式TM0, TM1, TM2)射入时射入时,观察观察到了再现图像到了再现图像.优点是成像时不存在照明光的零优点是成像时不存在照明光的零级散射干扰级散射干扰; ;记录时的入射角和记录时的入射角和成像时的入射角无关。成像时的入射角无关。