全反射原理与表面波的应用

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1、全反射原理及表面波的应用光纤平面光波导介质光波导基于聚合物光波导的热光开关阵列表面等离子共振技术表面等离子共振技术(SurfacePlasmonResonancetechnology，SPR)是20世纪90年代发展起来的一种传感技术，广泛应用于物理、化学、生物学领域，尤其是生物大分子结构的检测方面。表面等离子共振原理隐逝波当光从光密介质入射到光疏介质时（n1>n2）就会有全反射现象的产生。密疏密疏这表示沿x轴方向传播而振幅衰减的一个波，这就是消逝波。全反射的光波会透过光疏介质约为光波波长的一个深度，再沿界面流动约半个波长再返回光密介质。光的总能量没有发生改变。透

2、入光疏介质的光波成为消逝波。疏密等离子波等离子体等离子体通常是指由密度相当高的自由正、负电荷组成的气体，其中正、负带电粒子数目几乎相等。金属表面等离子波把金属的价电子看成是均匀正电荷背景下运动的电子气体，这实际上也是一种等离子体。由于电磁振荡形成了等离子波。SPR光学原理当光在棱镜与金属膜交界面上发生全反射现象时，会形成消逝波进入到光疏介质中，在光疏介质（假设为金属介质）中又存在一定的等离子波。当两波相遇时可能会发生共振。当消逝波与表面等离子波发生共振时，检测到的反射光强会大幅度地减弱。能量从光子转移到表面等离子，入射光的大部分能量被表面等离子波吸收，使得反射光

3、的能量急剧减少。从反射光强的响应曲线看到一个最小的尖峰，此时对应的入射光波长为共振波长，对应的入射角为SPR角。SPR角随金表面折射率变化而变化，而折射率的变化又与金表面结合的分子质量成正比。这就是SPR对物质结构检测的基本原理。SPR传感器基本结构光波导耦合器件金属膜分子敏感膜棱镜型装置工作原理(a)Otto型(b)Kretschmann型光纤型光波导耦合器在线传输式SPR光纤传感器光纤型光波导耦合器终端反射式SPR光纤传感器光栅型光波导耦合器近场光学远场光学：研究或探测的光场远离(远大于波长)光源或被观测物体。（衍射极限：物体通过光学系统来成像时,永远得不到

4、小于半个波长的细节）近场光学：研究或探测距离光源或被观测物体表面几个波长范围内的光场。光照射物体时,该物体散射出来的各种具有不同波矢的波便记录了该物体的信息,这些散射出来的波可分为传播波（低频成份）和倏逝波（高频成份）,其中传播波承载的则是该物体大体的特征信息,并且可以传播到远场,当它们被光学显微镜捕捉时，得到物体的远场成像。而记录该物体亚波长信息（细节）的则是呈指数衰减、局域在物体表面的倏逝波,因此无法在透镜的像平面上捕获到这些信息。这就决定了传统光学成像系统的分辨率极限。因此传统光学显微镜难以观察到亚波长尺寸甚至纳米尺度的粒子，例如病毒、DNA分子、纳米颗粒

5、等等。提高光学显微镜分辨率的途径？超级透镜（Superlens、Hyperlens）银板超透镜的表面附加亚波长光栅，增强倏逝波，并转换为转播波。右图是刻在Cr上的两条宽为50nm，相隔70nm的纳米线,并用扫描电子显微镜、普通显微镜和超透镜得到的实验结果(从上到下)。From:ZhaoweiLiuetal.NanoLett.,2007Anarbitraryobject“ON”imagedwithsubdiffractionresolution.Linewidthoftheobjectisabout40nm.Thehyperlensismadeof16layers

6、ofAg/Al2O3.From:ZhaoweiLiuetal.Science(2007)Varioussizesofnanolenswithdiameter50nmto3m.From:JuYoungLeeet.al.,NATURE,2009NanolensSEMNanolens光束经过此纳米透镜后会发生弯曲，使得透镜的焦距变得很短，捕捉不到的倏逝场即会到达像面。近场光镊技术光镊原理图优点：非接触、无损伤主要用于捕获、操控微小粒子，如生物活体细胞、细胞器、生物大分子以及纳米颗粒。带有缺陷的纳米光纤(NF)对聚苯乙烯颗粒(PS)的捕获和传输模拟图结构简单、捕获范围

7、广、捕获数量大和无损伤等优点,可用于疾病的药物靶向治疗、病毒或恶性细胞的有效清除和医用水的净化等领域。近场光纤光镊使用带有缺陷的纳米光纤对聚苯乙烯纳米颗粒进行定向传输和可控释放。(a)~(d)往NF中通入功率为39mW的980nm波长的近红外光,直径为713nm的PS沿着光纤定向运输到缺陷处并聚集;(e)~(h)光源关闭,聚集的颗粒被释放.利用探针尖端附近局域增强场所产生的强梯度力来捕获纳米微粒。表面等离子体纳米光镊KaiWang,2010