光波导理论与技术_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 (SurfacePlasmonResonance)光波导传感器2006年3月electron——电子photon——光子magnon——磁子proton——质子neutron——中子phonon——声子plasmon——表面等离子体子,是指金属表面沿着金属和介质界面传播的电子疏密波,由金属和空气界面上表面电磁波的激发而产生。plasmon具有波粒二象性,其粒子性体现为它是具有能量的量子,其波动性体现为它是在薄膜表面上传播的电子疏密波。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

2、在很薄的一层内以衰减场形式存在;在光频电场的作用下,在金属层内可激发出等离子体振荡,即在金属和介质的交界面出现等离子体表面波(SurfacePlasmaWave-SPW);金属的光频特性金属的电容率(介电常数)是复数,实部为负,且绝对值大于虚部:光在金属中传播必须考虑电导率的影响,麦克斯韦尔方程:波动方程:复折射率:电场矢量写成: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振幅的衰减,因此称虚部为消光系数或衰减系数。衰减系数如虚部等于0.005的金属,波长为1.0m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数几乎处处相

3、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。等离子体表面波及存在的条件什么是等离子体表面波SPW(SurfacePlasmaWave)?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。SPW存在条件:SPW一定是TM波(P偏振光);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SPW;SPW传播常数:表面等离子体子共振SPR (SurfacePlasmonResonance)利用光在发生全反射时的消逝

4、波,激发金属表面的自由电子产生等离子体表面波。当消逝波与等离子体表面波传播常数相等时发生共振,称此时的入射角为共振角。设入射光角频率为,在棱镜底面全反射时的入射角为,则消逝波在界面x方向的传播常数为:金属表面等离子波传播常数:共振角x衰减全反射ATR(AttenuatedTotalReflection-ATR)一旦入射P偏振光与SPW耦合并产生共振,SPW可增强几百倍,称为表面等离子体共振SPR。衰减全反射(ATR):因消失波的存在,光线在界面处的全内反射将产生一个位移D(古斯-汉森位移),即将沿X轴方向传播一定距离。若光疏介质对光线没有吸收并无其它损耗,则全内反射强度并不

5、会被衰减,消失波沿光疏介质表面在x方向传播约半个波长,再返回光密介质。反之,光能会损失,这样引起的能量损失称为衰减全反射(ATR)衰减全反射ATR(AttenuatedTotalReflection-ATR)共振时界面处的全反射条件将被破坏,呈现全反射衰减现象,使反射光能量急剧下降,在反射光谱上出现共振峰,即反射率出现最小值,称为衰减全反射ATR。影响SPR的因素: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;等离子体表面波激发方式空间光与SPW耦合的典型结构:Otto结构:金属和全内反射表面之间有约几十纳米的介质间隙,金属可以是半无限宽。入射光在棱镜底面发生

6、全内反射,而消失波作用于间隙与金属界面,并在此界面发生SPR。Kretschmann结构:采用真空蒸镀,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。消失波透过金属薄膜,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Otto结构棱镜金属膜Kretschmann结构表面等离子体子其他激发方式(a)two-layerKretschmanngeometry,(b)excitationwithaSNOMprobe,(c)diffractiononagrating,(d)diffractiononsurfacefeatures.SPR传感器的实际应用SPR传感

7、器可获取紧靠在金属薄膜表面介质层的光学常数,从而进一步得到介质的其它信息,如:由膜厚估计成膜物质的结构排列;由介质的折射率、膜厚度、吸收系数计算吸附物质的质量,进而求得相互作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:抗原-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。蛋白质相互作用分析;DNA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DNA分子间的相互作用:SPR不仅可用于研究蛋白质-蛋白质,蛋白质-DNA之间的相互作用,也可用于研究核酸间的

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1、表面等离子体子共振 (SurfacePlasmonResonance)光波导传感器2006年3月electron——电子photon——光子magnon——磁子proton——质子neutron——中子phonon——声子plasmon——表面等离子体子,是指金属表面沿着金属和介质界面传播的电子疏密波,由金属和空气界面上表面电磁波的激发而产生。plasmon具有波粒二象性,其粒子性体现为它是具有能量的量子,其波动性体现为它是在薄膜表面上传播的电子疏密波。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

2、在很薄的一层内以衰减场形式存在;在光频电场的作用下,在金属层内可激发出等离子体振荡,即在金属和介质的交界面出现等离子体表面波(SurfacePlasmaWave-SPW);金属的光频特性金属的电容率(介电常数)是复数,实部为负,且绝对值大于虚部:光在金属中传播必须考虑电导率的影响,麦克斯韦尔方程:波动方程:复折射率:电场矢量写成: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振幅的衰减,因此称虚部为消光系数或衰减系数。衰减系数如虚部等于0.005的金属,波长为1.0m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数几乎处处相

3、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。等离子体表面波及存在的条件什么是等离子体表面波SPW(SurfacePlasmaWave)?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。SPW存在条件:SPW一定是TM波(P偏振光);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SPW;SPW传播常数:表面等离子体子共振SPR (SurfacePlasmonResonance)利用光在发生全反射时的消逝

4、波,激发金属表面的自由电子产生等离子体表面波。当消逝波与等离子体表面波传播常数相等时发生共振,称此时的入射角为共振角。设入射光角频率为,在棱镜底面全反射时的入射角为,则消逝波在界面x方向的传播常数为:金属表面等离子波传播常数:共振角x衰减全反射ATR(AttenuatedTotalReflection-ATR)一旦入射P偏振光与SPW耦合并产生共振,SPW可增强几百倍,称为表面等离子体共振SPR。衰减全反射(ATR):因消失波的存在,光线在界面处的全内反射将产生一个位移D(古斯-汉森位移),即将沿X轴方向传播一定距离。若光疏介质对光线没有吸收并无其它损耗,则全内反射强度并不

5、会被衰减,消失波沿光疏介质表面在x方向传播约半个波长,再返回光密介质。反之,光能会损失,这样引起的能量损失称为衰减全反射(ATR)衰减全反射ATR(AttenuatedTotalReflection-ATR)共振时界面处的全反射条件将被破坏,呈现全反射衰减现象,使反射光能量急剧下降,在反射光谱上出现共振峰,即反射率出现最小值,称为衰减全反射ATR。影响SPR的因素: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;等离子体表面波激发方式空间光与SPW耦合的典型结构:Otto结构:金属和全内反射表面之间有约几十纳米的介质间隙,金属可以是半无限宽。入射光在棱镜底面发生

6、全内反射,而消失波作用于间隙与金属界面,并在此界面发生SPR。Kretschmann结构:采用真空蒸镀,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。消失波透过金属薄膜,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Otto结构棱镜金属膜Kretschmann结构表面等离子体子其他激发方式(a)two-layerKretschmanngeometry,(b)excitationwithaSNOMprobe,(c)diffractiononagrating,(d)diffractiononsurfacefeatures.SPR传感器的实际应用SPR传感

7、器可获取紧靠在金属薄膜表面介质层的光学常数,从而进一步得到介质的其它信息,如:由膜厚估计成膜物质的结构排列;由介质的折射率、膜厚度、吸收系数计算吸附物质的质量,进而求得相互作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:抗原-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。蛋白质相互作用分析;DNA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DNA分子间的相互作用:SPR不仅可用于研究蛋白质-蛋白质,蛋白质-DNA之间的相互作用,也可用于研究核酸间的

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