表面等离激元共振法 测液体折射率

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1、表面等离激元共振法测液体折射率摘要：本实验测量纯水和纯酒精的表面等离激元共振的共振角分别与理论计算数据相吻合,证明该系统测量的共振角数值能正确地反映液体折射率的变化.利用该系统测量了空气和纯净水的折射率。关键词：表面等离激元，液体折射率，共振角一、实验目的1、了解全反射中倏逝波的概念；2、观察表面等离激元共振现象，研究其共振角随折射率的变化；3、进一步熟悉和了解分光计的调节和使用；4、了解和掌握共振角测量的方法，以及计算折射率的原理和方法；二、实验原理表面等离激元（SPPs）是一种局限在金属与电解质界面的表面电磁波，表现为金属表面电子的集体振荡行为，具有突破光传播衍射极限的能力，被誉为最有

2、希望的纳米集成广播到的信息载体[1].在电磁场的作用下，材料中的自由电子会在金属表面发生集体振荡，产生表面等离激元；共振状态下电磁场的能量被有效转换为金属表面自由电子的集体振动能。当入射光从折射率为n1的光密介质照射到折射率为n2的光疏介质，当入射角θ大于临界角θc时,将发生全反射，在全内反射（TIR）条件下，入射光的能量没有损失，但光的电场强度在界面处并不立即减小为零，而会渗入光疏介质中产生消失波，光波并不是绝对地在界面上被全反射回光密介质，而是渗入光疏介质大约一个波长的深度，并沿着界面流过波长量级距离重新返回光密介质，沿着反射光方向射出。这个沿着光疏介质表面流动的波称为倏逝波。对于倏逝

3、波在金属内部的分布是随着与表面垂直距离z的增大而呈指数衰减，即zIz()I(0)exp(-)(1)d其中0d2222sinnn12(?0是光在真空中的波长)是倏逝波渗入光疏介质的有效深度(光波的电场衰减至表面强度的1/e时的深度)。可见入射的有效深度d不受入射光偏振化程度的影响，除θ→??，d→∞的特殊条件外（??为布儒斯特角），d随着入射角的增加而减小，其大小是?0的数量级甚至更小。因为倏逝波的存在，在界面处发生全内反射的光线，实际上在光疏介质中产生大小约为半个波长的位移后又返回光密介质。表面等离激元共振（SPR）是倏逝波以衰减全反射的方式激发表面等离激元波（SPW），当SP

4、W波矢与倏逝波的波矢大小相等、方向相同时，产生共振，导致入射光的反射光强降至最低。如果在两种介质界面之间存在几十纳米的金属薄膜，那么全反射时产生的倏逝波的P偏振分量（P波）将会进入金属薄膜，与金属薄膜中的自由电子相互作用，激发出沿金属薄膜表面传播的表面等离子体波（SPW）。当入射光的角度或波长到某一特定值时，入射光的大部分会转换成SPW的能量，从而使全反射的反射光能量突然下降，在反射谱上出现共振吸收峰，此时入射光的角度或波长称为SPR的共振角或共振波长。SPR的共振角或共振波长与金属薄膜表面的性质密切相关，如果在金属薄膜表面附着被测物质（一般为溶液或者生物分子），会引起金属薄膜表面折射率的

5、变化，从而SPR光学信号发生改变，根据这个信号，就可以获得被测物质的折射率或浓度等信息，达到生化检测的目的。表面等离激元(SP)是沿着金属和电介质之间的界面传播的电磁波所形成的。当P偏振光以表面等离激元共振角入射到界面上，将发生衰减全反射：入射光被耦合到表面等离激元内，光能被大量吸收，在这个角度上由于发生了表面等离激元共振从而使得反射光显著减少。光在界面处发生全内反射时的倏逝波，可以引发金属表面的自由电子产生表面等离激元。在入射角或波长为适当值时，表面等离激元与倏逝波的频率相等，两者之间发生共振。入射光被吸收，使反射光能量急剧下降，在反射光谱上出现SPW电介Ksp质共振吸收峰，这就是表面等

6、离激元共振现象。在入射光波长金属固定的情况下，通过改变入射角，也可以实现角度指示型表膜Kx面等离激元共振。柱面棱如图所示，当P偏振光（振动方向在入射面内）通过柱反射光镜入射光面棱镜照射到金属表面时，入射光波矢k在x方向上的投影kknsin为xp01(2)式中，k00=2π/λ是入射光在自由空间中的波矢，λ0是入射光在自由空间中的波长，np是柱面棱镜的折射率（折射率有实部、虚部，本实验所指折射率均指折射率的实部），图一表面等离激元共振示意图1为入射角。根据Maxwell方程，可以推导出表面等离激元波的波矢ksp（如图所示）的模为2nmskksp02msnm(3)其中，是金属的

7、介电常数，ns是待研究介质的折射率。当kx＝ksp时，入射光波就会在金属表面形成表面等离激元共振。n2mskknksinRe(4)spp0102nms上式就是产生SPR现象的条件。采用角度指示型检测方式，调节入射角θ1，反射强最低n2ms时对应的共振角θ满足：sinRen(5)spp2nms由于所采用的金属介电常数的实部绝对值远大于虚部绝对值，则公式（5）可进一步简化