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《表面等离子共振效应中传统近似理论与薄膜光学理论.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、第39卷第7期光子学报Vol.39No.72010年7月ACTAPHOTONICASINICAJuly2010文章编号:100424213(2010)072121627*表面等离子共振效应中传统近似理论与薄膜光学理论一张江涛,顾铮先,邓传鲁(上海理工大学理学院光电功能薄膜实验室,上海200093)摘要:指出Kretschmann模型的传统表面等离子共振公式在求解金属薄膜的参量时存在近似性,采用更为严密的薄膜光学理论,通过薄膜膜系的特征矩阵,得出表面等离子体共振衰减曲线.结果表明,表面等离子体共振近似理论与薄膜光学理论得到的共振角及反射率幅度存在差别;采用等高线图,
2、给出了共振角差随着金属介电常量的变化规律.进一步的实验表明,薄膜光学理论所得模拟结果较表面等离子体共振近似理论与实验值吻合地更好,证明薄膜光学理论应用在表面等离子体共振效应要优于常用的近似理论.最后,采用两种理论对表面等离子体共振传感器进行优化设计,结果表明,两种理论所获得的高灵敏度分布区域差异较大,必须采用薄膜光学理论提供更精确的薄膜参量,来优化设计高灵敏度表面等离子体共振传感器.关键词:物理光学;表面等离子共振;薄膜光学理论;特征矩阵;共振角;灵敏度中图分类号:O484文献标识码:Adoi:10.3788/gzxb20103907.12160引言指出SPR常用
3、计算理论中暗藏的近似性,然后用薄膜光学理论建立SPR的单层金属膜系模型,模拟出[1,2]自从Liedberg等将表面等离子体共振(SPR现象.通过实验,验证了薄膜光学理论的精确SurfacePlasmonResonance,SPR)技术用于化学传性.采用等高线图,全面地给出了两种理论的共振角感器研究领域以来,SPR传感器逐渐成为国际传感差随着金属介电常量变化的规律.在此基础上,比较器领域的研究热点.根据SPR谐振峰位置的漂移,了两种理论得出的SPR传感器灵敏度的分布及幅可用来测量薄膜的折射率、膜厚,获得色散曲线等.度差异,指出薄膜光学理论可以为SPR传感器灵敏[3
4、25]但后来的研究却发现,反射光的吸收曲线,并不度优化设计提供更为精确的参量选择方案.由于具准确地反映出表面等离子波(SurfacePlasmon有实际研究和应用价值的光与表面等离子体相互作[8]Wave,SPW)的色散关系,尤其对那些高损耗的金用的结构是Kretschmann首先设计的,本文只针[4]属.为了提高准确性,HollsteinT和BarkerA.对Kretschmann模型进行讨论.[5]S等在棱镜底面上镀制粗糙的金属膜,Bosenberg[6]1传统SPR理论中的近似性J则通过探测光电效应产生的光电流来给出吸收曲线.他们都是认为当SPR的相位匹配条
5、件满足图1是典型的Kretschmann结构.棱镜和介质时,反射曲线达到最大损耗.的介电常量分别为E0和E2,金属薄膜的介电常量为[7]然而,EricF.Y.Kou和TheodorTamir发cd复数E1=E1+iE1,d为金属膜的厚度,c为光速,X为现相位匹配条件满足时,反射率并不处在最低值,也光波角频率.就是共振发生时的入射角,不同于反射曲线最低点所对应的入射角.尽管上述两种方法可以在一定程度上来提高测量的准确性,但是准确性还存在更大的提升空间,关键在于解决共振时入射角和反射率最低点入射角不对应的问题.本文采用薄膜光学理论来解决这个问题.首先*国家自然科学基金
6、(60777035)、教育部科学技术研究重点项目(208040)、上海市教育委员会科研项目(07ZZ87)和上海市重点学科建设项目(T0501)资助Tel:02165666454Email:zhengtiangu@163.com图1激发SPW的Kretschmann模型Fig.1KretschmannmodelofexcitingSPW收稿日期:2009210222修回日期:20102012047期张江涛,等:表面等离子共振效应中传统近似理论与薄膜光学理论1217设TM光波从左侧以入射角H入射,激发表面存在近似的匹配,即有等离子体共振的光波在X轴方向的波矢分量(见
7、图Kev=Re(Ksp)1)为共振角XRe(Ksp)Kev=E0sinHcHsp=arcsinXE0同时,在金属和介质的交界面处,金属表面的自c[9]根据测量的Hsp和Rmin,常采用双波长激发法或双由电子气将被激发,产生集体振荡,从而形成表面等[10]介质法等,来计算出金属薄膜的厚度和介电常离子波,其波矢为量.这两种测量方法均会得到欠耦合和过耦合两组XE1E2Ksp=cE1+E2解,且两组解均可导出良好的拟合曲线.通过反演,根据Maxwell方程组,Kretschmann给出TM与实验曲线最佳吻合的理论拟合曲线,代表了待测[3]金属膜的实际参量解.光的反射系数公
8、式r01+
