《表面等离子体共振》PPT课件

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1、基于表面等离子体共振传感器介绍葛嘉1034024014ContentsSPR的基本原理SPR传感器的分类SPR传感器的应用SPR技术的特点SPR的基本原理表面等离子体表面等离子体共振是一种物理光学效应。通常，金属和半导体内部与表面存在大量自由电子，形成自由电子气团，称之为等离子体（plasmon）。如果是存在于金属或者半导体内部的自由电子气团，则称为体等离子体；如果是存在于金属或者半导体表面的自由电子气团，则称为表面等离子体（surfaceplasmon）。SPR的基本原理表面等离子体共振的基本条件存在表面等离子体。存在合适的激发源。激发源和等离子体之间

2、必须满足一定的激发条件。SPR的基本原理goss-hanchen位移SPR的基本原理evanescentwaves.倏逝波在全反射时光波并不是绝对地在介面上被全部反射回第一介质的，而是透入第二介质很薄的一层表面(约为一个波长)，并沿界面传播一些距离(波长量级)，最后返回第一介质。透入第二介质表面的这个波，称为倏逝波。SPR的基本原理由于倏逝波的存在，光线在界面处的全反射将产生一个位移D，光线将沿着X轴方向传播一定距离。若光疏介质很纯净，在没有吸收和其它损耗的情况下，反射光能量不会衰减，消失波在光疏介质中传播约半个波长后再返回光密介质。反之，反射光能量将损

3、失。SPR的基本原理SPR的基本原理Kretschmann耦合模型是将几十纳米厚的金属薄膜覆盖在棱镜底部，待测样品置于金属膜下面，棱镜全反射产生的消失波透过金属膜，在金属与样品的界面处激发产生SPR现象。金属层一般约50nm,如果过厚则无法产生SPR现象。Kretschmann模型在SPR器件中广泛应用。SPR的基本原理SPR的基本原理在Otto模型中，棱镜与金属之间有一层很薄的样品，厚度约为入射光波长大小，棱镜全反射产生的消失波在样品与金属界面处发生耦合，激发产生SPR现象。由于这种模型建立起来比较困难，目前绝大部分SPR传感器已经不采用这种模型了。S

4、PR的基本原理共振角：波长固定时，反射率最低时对应的入射角。SPR的基本原理不同样品对应的共振角不同SPR的基本原理图为定角度范围入射型SPR传感器，入射光源一般选择单色性好的激光器，光源经过光学系统处理后以一定的角度范围汇聚在棱镜与金属膜的界面上，反射光用二极管阵列接收。SPR的基本原理图为角度旋转入射型SPR传感器，入射光源一般选择单色性好的激光器，利用机械装置来控制光源或者棱镜，使入射光相对棱镜的入射角不断的变化，变化的范围可人为控制，反射光用光电倍增管接收。角度入射型SPR的特点以上两种都是角度入射型SPR传感器，不同的是一个是定角度范围入射，一

5、个是角度旋转入射，最后获得的都是入射角与反射率之间的相关数据。角度旋转入射型SPR传感器有着它不可避免的缺点，由于旋转角度需要一定时间，如果待测样品的折射率改变迅速，则此类型SPR传感器无法得到每个时刻样品折射率变化的信息，因此角度旋转入射型SPR传感器只适用于折射率变化缓慢的样品。另外，由于机械装置的存在，不可避免的将引入机械装置自身的误差，从而导致最终探测结果的误差增大。多波长入射型SPR传感器角度固定，通过测量入射光波长与反射率或者入射光波长与相位之间的关系曲线来获取所需要的相关数据。多波长入射型SPR的特点对于多波长入射型SPR传感器，入射光源一

6、般选择多波长光源，如LED、白炽灯等，光源需要能够发出各个波长的光，并且强度稳定，完全理想的这种强度大、稳定性好的连续光源很难找到。光源经过光学系统后成为一束平行光，然后入射到棱镜与金属界面上，反射光用光谱仪或相位仪接收。波长入射型SPR传感器相对角度入射型SPR传感器来说，受电子干扰、电源抖动等影响小，但其反射光相关数据的获取必须借助专门的仪器，实用化会导致成本很高。因此，多波长入射型SPR传感器一般用于科学试验研究中。SPR传感器的分类之前介绍的都是棱镜耦合的SPR传感器，棱镜耦合方式比较传统，结构比较简单，应用最为广泛。但是传感器体积较大,不能用于

7、远程传感测量。除了棱镜耦合SPR传感器外，比较常见的还有光纤型和光栅型SPR传感器，都有各自的优缺点。基于光纤耦合的SPR传感器在线传输式SPR光纤传感器在线传输式SPR光纤传感器特点该模式是将一段光导纤维的包层剥去,在光纤芯核上沉积一层高反射率金属膜。普通石英阶梯指数光纤数值孔径一般为0·3,光纤内部可传播光线的角度范围为78·5°~90°。在此角度范围,光线在光纤芯核与包层的界面上发生全内反射,渗透过界面的消失波将在金属膜中引发表面等离子体子,并在满足一定条件下与之共振。基于光纤耦合的SPR传感器终端反射式SPR光纤传感器探头终端反射式SPR光纤传感

8、器特点在光线传输过程中，首先经过下金属膜表面发生SPR，共振光接着传输至微全反射