表面等離子體子光波導傳感器

表面等離子體子光波導傳感器第一頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五electron——電子photon——光子magnon——磁子

proton——質(zhì)子neutron——中子phonon——聲子

plasmon——表面等離子體子，是指金屬表面沿著金屬和介質(zhì)界面?zhèn)鞑サ碾娮邮杳懿?，由金屬和空氣界面上表面電磁波的激發(fā)而產(chǎn)生。plasmon具有波粒二象性,其粒子性體現(xiàn)為它是具有能量的量子

,其波動性體現(xiàn)為它是在薄膜表面上傳播的電子疏密波。第二頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五金屬包層平板介質(zhì)波導用于集成光學器件，介質(zhì)波導中沉積金屬膜或在金屬膜基底上沉積介質(zhì)波導層；金屬對光頻有強力的吸收作用，電磁場僅在很薄的一層內(nèi)以衰減場形式存在；在光頻電場的作用下，在金屬層內(nèi)可激發(fā)出等離子體振蕩，即在金屬和介質(zhì)的交界面出現(xiàn)等離子體表面波（SurfacePlasmaWave-SPW

）；第三頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五金屬的光頻特性金屬的電容率（介電常數(shù)）是復數(shù)，實部為負，且絕對值大于虛部：光在金屬中傳播必須考慮電導率的影響，麥克斯韋爾方程：波動方程：第四頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五復折射率：電場矢量寫成：代入復折射率：折射率的實部決定波的相速度，虛部決定媒質(zhì)的吸收而產(chǎn)生的波振幅的衰減，因此稱虛部為消光系數(shù)或衰減系數(shù)。衰減系數(shù)如虛部等于0.005的金屬，波長為1.0m的光傳輸距離為36m

。等離子體：宏觀上呈電中性、體內(nèi)所含正電荷數(shù)與負電荷數(shù)幾乎處處相等的多粒子系。金屬中的自由電子被局限在正離子構成的晶體點陣內(nèi)作無規(guī)則運動，單位體積內(nèi)自由電子所帶的負電荷數(shù)與正離子所帶的正電荷數(shù)相等，呈等離子狀態(tài)。第五頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五等離子體表面波及存在的條件什么是等離子體表面波SPW（SurfacePlasmaWave）？指在一定條件下，出現(xiàn)在金屬與電介質(zhì)分界面上傳播的平面電磁波，其振幅隨離開分界面的距離按指數(shù)衰減。SPW存在條件：SPW一定是TM波（P偏振光）；只存在于兩側電容率符號相反的分界面，在光頻范圍內(nèi)，金屬和電介質(zhì)的分界面存在SPW；SPW傳播常數(shù)：第六頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五表面等離子體子共振SPR

（SurfacePlasmonResonance）利用光在發(fā)生全反射時的消逝波,激發(fā)金屬表面的自由電子產(chǎn)生等離子體表面波。當消逝波與等離子體表面波傳播常數(shù)相等時發(fā)生共振，稱此時的入射角為共振角。設入射光角頻率為，在棱鏡底面全反射時的入射角為，則消逝波在界面x方向的傳播常數(shù)為：金屬表面等離子波傳播常數(shù)：共振角x第七頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五衰減全反射ATR

(AttenuatedTotalReflection-ATR)一旦入射P偏振光與SPW耦合并產(chǎn)生共振，SPW可增強幾百倍，稱為表面等離子體共振SPR

。衰減全反射(ATR)：因消失波的存在,光線在界面處的全內(nèi)反射將產(chǎn)生一個位移D(古斯-漢森位移),即將沿X軸方向傳播一定距離。若光疏介質(zhì)對光線沒有吸收并無其它損耗,則全內(nèi)反射強度并不會被衰減,消失波沿光疏介質(zhì)表面在x方向傳播約半個波長,再返回光密介質(zhì)。反之,光能會損失,這樣引起的能量損失稱為衰減全反射(ATR)

第八頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五衰減全反射ATR

(AttenuatedTotalReflection-ATR)

共振時界面處的全反射條件將被破壞,呈現(xiàn)全反射衰減現(xiàn)象,使反射光能量急劇下降,在反射光譜上出現(xiàn)共振峰，即反射率出現(xiàn)最小值，稱為衰減全反射ATR。影響SPR的因素：金屬膜表面介質(zhì)的光學特性、厚度；入射光的入射角、波長和偏振狀態(tài)；

第九頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五等離子體表面波激發(fā)方式空間光與SPW耦合的典型結構：Otto結構：金屬和全內(nèi)反射表面之間有約幾十納米的介質(zhì)間隙,金屬可以是半無限寬。入射光在棱鏡底面發(fā)生全內(nèi)反射,而消失波作用于間隙與金屬界面,并在此界面發(fā)生SPR。Kretschmann結構：采用真空蒸鍍,磁控濺射等方法直接在全內(nèi)反射表面鍍一層幾十納米厚的金屬，應用最廣。消失波透過金屬薄膜,在金屬膜外側界面處發(fā)生表面等離子體子共振。棱鏡金屬介質(zhì)Otto結構棱鏡金屬膜Kretschmann結構第十頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五表面等離子體子其他激發(fā)方式(a)two-layerKretschmanngeometry,(b)excitationwithaSNOMprobe,(c)diffractiononagrating,(d)diffractiononsurfacefeatures.第十一頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五SPR傳感器的實際應用SPR傳感器可獲取緊靠在金屬薄膜表面介質(zhì)層的光學常數(shù),從而進一步得到介質(zhì)的其它信息，如：由膜厚估計成膜物質(zhì)的結構排列；由介質(zhì)的折射率、膜厚度、吸收系數(shù)計算吸附物質(zhì)的質(zhì)量,進而求得相互作用的生物大分子之間鍵的參數(shù)；主要用于生物科學和生命科學領域：抗原-抗體反應測定：用于免疫分析，選擇不同抗體用于治療、檢測、診斷。蛋白質(zhì)相互作用分析；DNA與蛋白質(zhì)相互作用分析，此前一直沒有簡便快捷的方法；實時監(jiān)測DNA分子間的相互作用：SPR不僅可用于研究蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì),蛋白質(zhì)-DNA之間的相互作用,也可用于研究核酸間的相互作用,實時追蹤核酸反應的全過程,包括基因裝配、DNA合成延伸、DNA的特異切割。藥物篩選及鑒定；藥物篩選是SPR技術的另一個應用熱點。第十二頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五SPR生物傳感器檢測過程：將一種具特異識別屬性的分子即配體固定于金屬膜表面；在復合物形成或解離過程中,金屬膜表面溶液的折射率發(fā)生變化；SPR實時檢測折射率變化，監(jiān)控溶液中的被分析物與該配體的結合過程；特點：實時過程檢測、無需標記、耗樣最少等。第十三頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五SPR傳感器基本結構與耦合方式基本組成：光波導耦合器件金屬膜分子敏感膜耦合方式：Krestschmann棱鏡型Otto棱鏡型光纖在線傳輸式光纖終端反射式光柵型金屬膜分子敏感膜第十四頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五光纖在線傳輸式光纖終端反射式光柵型第十五頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五SPR檢測方式、傳感器靈敏度

檢測方式：角度調(diào)制：固定λin，改變θin波長調(diào)制：固定θin

，改變λin強度調(diào)制：固定θin

、λin，改變光強相位調(diào)制：固定θin

、λin，測相位變化傳感器靈敏度：特征參數(shù)：共振角(或共振波長)、共振半峰寬度(共振峰高一半處的波寬)和共振深度(共振峰的高度,即相對能量反射率)。特征參數(shù)取決于金屬薄膜及其表面介質(zhì)的光學參數(shù):膜厚度d（一般在55nm左右）、折射率n和吸收系數(shù)k。第十六頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五角度調(diào)制原理SPR傳感器單色光源，即固定波長；SPR對附著在金屬薄膜表面的介質(zhì)折射率非常敏感,當表面介質(zhì)的屬性改變或者附著量改變時，共振角將不同。因此，SPR譜（共振角對時間的變化）能夠反映與金屬膜表面接觸的體系的變化。第十七頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五波長調(diào)制原理SPR傳感器固定入射角而改變波長；光源發(fā)出的復色光，經(jīng)準直后變成平行偏振光以一定的角度照射，在棱鏡底部全反射，攜帶被測信息輸出經(jīng)透鏡進光纖，由光柵對不同波長分光（光柵單色儀），CCD檢測不同波長光的強度。第十八頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五相位調(diào)制原理SPR傳感器橫向塞曼激光器能直接輸出正交偏振態(tài)、低頻差的線偏振光，P偏振光能激發(fā)等離子體共振；S偏振光與P偏振光之間的頻差穩(wěn)定，卻可以細分提高相位分辨率；SPR共振發(fā)生時,P偏振光的相位變化,而S偏振光幾乎不變,兩分量之間產(chǎn)生相位差。相位差隨生物分子與傳感層上的分子結合強度和速率變化。利用雙頻干涉原理檢測相位變化。1：橫向塞曼穩(wěn)頻激光器；7、13：偏振片；8、12：光電接收器；9、11：前置放大器10：相位計14：計算機2~6：SPR傳感器第十九頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五SPR傳感器其他應用

其他應用：航天醫(yī)學、生物芯片（利用SPR相位調(diào)制檢測蛋白質(zhì)芯片）、掃描近場光學顯微技術、薄膜光學和膜厚測量、全息成像技術、Q開關、精密角度測量等領域。第二十頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五SPR應用于近場掃描光學顯微技術NSOM的光纖微探針尖端無法做得很細,因此分辨率只能達到十幾納米,不能象STM和AFM那樣達到原子級分辨率。SPW在金屬表面?zhèn)鞑r,遇到雜質(zhì)、缺陷等將會發(fā)生散射,此處共振的SPW作圓錐輻射,圓錐頂角與入射角相同。若AFM的實心針尖在金屬表面掃描,將作為一個散射中心,輻射出的圓錐形光攜帶針尖處的信息.由于圓錐輻射光比較微弱,

一般用一個鎖相放大器以一定頻率驅(qū)動微懸臂,并檢測光電轉換器件的輸出信號中的同頻成分.第二十一頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五

薄膜光學和膜厚測量在Kretschmann型SPR配置中的金屬膜上覆蓋待測薄膜,依據(jù)測得的ATR曲線,可以用雙層膜菲涅爾公式擬合計算待測薄膜的光學參數(shù)和膜厚。如圖配置可通過銀膜和導電玻璃向液晶施加不同的電壓，通過測量和計算,可以得出不同電壓下液晶薄膜的厚度和介電常數(shù),并借以推斷不同電壓下液晶分子的排列方式。與其他膜厚測量方法相比（如橢圓偏振儀），SPR技術具有靈敏度高、分辨率高等優(yōu)點,特別適合納米量級的膜厚測量，而且可以測量不透光的薄膜.棱鏡銀模+液晶+導電玻璃第二十二頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期五

全息成像技術底片為玻璃基底-銀膜-光刻膠結構,銀膜厚度35nm,光刻膠厚度65nm.記錄光路使用0.9mW的氦鎘激光.曝光時間為