表面等離子體波色散曲線課件

表面等離子體共振現(xiàn)象與應(yīng)用的探究

湖州師范學(xué)院吳平輝表面等離子體共振現(xiàn)象與應(yīng)用的探究湖州師范學(xué)院1.表面等離子體共振簡(jiǎn)介2.從電磁理論探究全反射3.表面等離子體共振原理4.表面等離子體共振應(yīng)用1.表面等離子體共振簡(jiǎn)介2.從電磁理論探究全反射3.表一、表面等離子體共振簡(jiǎn)介表面等離子體共振（Surfaceplasmonresonance，SPR），又稱等離子激元共振，是一種物理光學(xué)現(xiàn)象。

傳播方向一致

相同的頻率和波矢（即波長(zhǎng)）12與光的全反射有關(guān)電磁波共振條件一、表面等離子體共振簡(jiǎn)介表面等離子體共振（Surfa基于SPR原理的SPR傳感技術(shù)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的，生命科學(xué)、醫(yī)療檢測(cè)、藥物篩選、食品檢測(cè)、環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用的一種新技術(shù)。（DNA與蛋白質(zhì)之間、蛋白質(zhì)分子之間以及藥物—蛋白質(zhì)、核酸—核酸、抗原—抗體等生物分子之間的相互作用）發(fā)展簡(jiǎn)史1902年，Wood在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)SPR現(xiàn)象1941年，F(xiàn)ano解釋了SPR現(xiàn)象1971年，Kretschmann結(jié)構(gòu)為SPR傳感器奠定了基礎(chǔ)1982年，Lundstr?m將SPR用于氣體的傳感（第一次）1983年，Liedberg將SPR用于IgG與其抗原的反應(yīng)測(cè)定1987年，Knoll等人開始SPR成像研究1990年，BiacoreAB公司開發(fā)出首臺(tái)商品化SPR儀器基于SPR原理的SPR傳感技術(shù)是20世紀(jì)90年代發(fā)展二、從電磁理論探究全反射

當(dāng)光波從折射率為n1的介質(zhì)射向折射率為n2的介質(zhì)時(shí)，若n1>n2，且入射角

大于臨界角時(shí)會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象，此時(shí)，滿足實(shí)驗(yàn)表明，在發(fā)生全反射時(shí)，光波并不是絕對(duì)地在界面上被全部反射回n1介質(zhì)，而是透入n2介質(zhì)很薄的一層表面（約一個(gè)波長(zhǎng)）并沿著界面?zhèn)鬏斠欢尉嚯x（波長(zhǎng)量級(jí)），最后返回n1介質(zhì)。這種存在于n2介質(zhì)中的界面附近的表面波，稱為倏逝波（衰逝波、漸消波、消逝波、隱失波）。

證明??電磁場(chǎng)邊界條件—連續(xù)二、從電磁理論探究全反射當(dāng)光波從折射率為n1的介證明由矢量形式折反射定律：如圖所示，入射面為xOz，則有當(dāng)發(fā)生全反射時(shí)，

是一個(gè)復(fù)數(shù)

證明由矢量形式折反射定律：如圖所示，入射面為xOz，則有當(dāng)發(fā)證明由于全反射時(shí)于是可將上式改寫為式中將式代入電場(chǎng)矢量函數(shù)可得只能取負(fù)號(hào)才滿足物理要求，因?yàn)槿≌?hào)則振幅要隨著距離z的增加而趨于無(wú)窮，不可能發(fā)生的狀況。證明由于全反射時(shí)于是可將上式改寫為式中將式代入電場(chǎng)矢量函數(shù)結(jié)論1、該波是沿著入射面的介質(zhì)邊界（即x方向）傳輸（行波），且振幅隨著與界面的距離z做指數(shù)衰減的特殊波動(dòng)，故稱作倏逝波。2、穿透深度：把振幅值衰減到原振幅值的時(shí)對(duì)應(yīng)的z值定義為倏逝波的穿透深度dm

。3、倏逝波的等幅面和等相面不一致，且兩者相互垂直—非均勻波。4、倏逝波沿x方向傳播的相速度比普通平面波在介質(zhì)n2中沿x方向傳播的相速度要慢（慢波）。結(jié)論1、該波是沿著入射面的介質(zhì)邊界（即x方向）傳輸（行波），倏逝波的應(yīng)用近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡光纖倏逝波生物傳感器表面等離子體光學(xué)器件倏逝波倏逝波的應(yīng)用近場(chǎng)光學(xué)光纖倏逝波表面等離子倏逝波3.什么是等離子體？3.什么是等離子體？3.什么是等離子體？固體

冰液體

水氣體

水汽等離子體

電離氣體溫度00C1000C100000C3.什么是等離子體？固體液體氣體等離子體溫度00C1000C等離子體定義等離子體定義等離子體振蕩頻率等離子體振蕩頻率表面等離子體振蕩在金屬表面，電子的橫向（垂直于表面）運(yùn)動(dòng)受到表面的阻擋，因此在表面上形成了電子濃度的梯度分布，并由此形成局限于表面上的等離子體振蕩表面等離子體波。表面等離子體振蕩在金屬表面，電子的橫向（垂直于表面）表面等離子體波的特征表面等離子體波的特征根據(jù)麥克斯韋方程（對(duì)于半無(wú)限金屬表面的色散關(guān)系）和波矢在通過電場(chǎng)界面時(shí)連續(xù)，求解可得根據(jù)麥克斯韋方程（對(duì)于半無(wú)限金屬表面的色散關(guān)系）和波表面等離子體波色散曲線表面等離子體波色散曲線表面等離子體波色散曲線波矢不相等，如何共振？表面等離子體波色散曲線波矢不相等，如何共振？表面等離子體波色散曲線只能改變兩條色散曲線的相對(duì)位置表面等離子體波色散曲線只能改變兩條色散曲線的相對(duì)位置光波的色散曲線，與表面等離子體波不同，光波波矢與介質(zhì)有關(guān)，且是入射角的函數(shù)，通過改變?nèi)肷浣强梢愿淖兤渖⑶€的位置。入射光波的波矢在x方向上的分量可以表示為

共振^_^光波的色散曲線，與表面等離子體波不同，光波波矢與介質(zhì)有關(guān)，且表面等離子體共振儀器Kretschmann

和Otto采用棱鏡耦合的全內(nèi)反射方法，實(shí)現(xiàn)了用光波激發(fā)表面等離子體振動(dòng)并產(chǎn)生共振。(A)Kretschman(B)OttoPrism

0Metal

mSample

1

0kevkspxzPrism

0Sample

1Metal

m

0k'evksp當(dāng)倏逝波與表面等離子波發(fā)生共振時(shí)，檢測(cè)到的反射光強(qiáng)會(huì)大幅度地減弱。能量從光子轉(zhuǎn)移到表面等離子，入射光的大部分能量被表面等離子波吸收，使得反射光的能量急劇減少。表面等離子體共振儀器Kretschmann和Otto采用棱SPR傳感器實(shí)驗(yàn)研究SPR傳感器實(shí)驗(yàn)研究SPR傳感器結(jié)構(gòu)圖SPR傳感器結(jié)構(gòu)圖SPR傳感器結(jié)構(gòu)圖SPR傳感器結(jié)構(gòu)圖表面等離子體波色散曲線ppt課件SPR傳感器分類角度指示型：固定入射光波長(zhǎng)，觀測(cè)反射光歸一化強(qiáng)度達(dá)到最小時(shí)的入射角；波長(zhǎng)指示型：固定入射光的入射角，測(cè)量反射光歸一化強(qiáng)度達(dá)到最小時(shí)的波長(zhǎng)；光強(qiáng)指示型：固定入射光的入射角和波長(zhǎng)，測(cè)量反射光的歸一化光強(qiáng)；相位指示型：固定入射光的角度和波長(zhǎng)，測(cè)量入射光和反射光的相位差。SPR傳感器分類角度指示型：固定入射光波長(zhǎng)，觀測(cè)反射光歸一化謝謝！

THANKYOU!謝謝！

THANKYOU!表面等離子體波的兩個(gè)特征（需改）表面等離子體波的兩個(gè)特征（需改）表面等離子體波振蕩的損耗表面等離子體波振蕩的損耗表面等離子體波的傳播長(zhǎng)度表面等離子體波的傳播長(zhǎng)度表面等離子體波傳播長(zhǎng)度的估算表面等離子體波傳播長(zhǎng)度的估算表面等離子體波三個(gè)特征長(zhǎng)度表面等離子體波三個(gè)特征長(zhǎng)度金屬表面等離子體

在金屬中，價(jià)電子為整個(gè)晶體所共有，形成所謂費(fèi)米電子氣。價(jià)電子可在晶體中移動(dòng)，而金屬離子則被束縛于晶格位置上，但總的電子密度和離子密度是相同的，從整體來(lái)說金屬是電中性的。人們把這種情況形象地稱為“金屬離子浸沒于電子的海洋中”。這種情況和氣體放電中的等離子體相似，因此可以把金屬看作是一種電荷密度很高的低溫（室溫）等離子體，而氣體放電中的等離子體是一種高溫等離子體，電荷密度比金屬中的低。金屬板中電子氣的位移（上）金屬離子（+）位于“電子海洋”中（灰色背景），（下）電子集體向右移動(dòng)金屬表面等離子體在金屬中，價(jià)電子為整個(gè)偏振光一束光傾斜照射在介質(zhì)表面，入射光和介質(zhì)表面法線構(gòu)成了入射面。入射光波的電場(chǎng)可分解為相互正交的偏振光分量。一個(gè)為在入射面內(nèi)的橫磁波，將其稱為TM波或者P偏振波（平行于入射面，垂直于界面）；另一個(gè)為垂直于入射面，與界面平行的橫電波，將其稱為TE波或者S偏振波。由于S偏振光的電場(chǎng)與