表面等离激元共振2011424200221.docx

实验名称：表面等离激元共振法测液体折射率实验实验目的：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实验原理：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ni的光密介质照射到折射率为n2的光疏介质，当入射角e大于临界角e「时， 12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I （z）二 I （0）exp（- ） （1）d, 九其中d =一 0 （九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2兀 Jn2 sin2 0 - n2 0v 1 2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0 - 0，d 的特殊条件外（0为布儒斯特角），d随着入射角的增加而减小，其大小是九的数量级甚c c 0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SPW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 出现共振吸收峰，这就是表面等离激元共振现象在入射光波长固定的情况下，通过改变入射角，也 可以实现角度指示型表面等离激元共振根据Maxwell方程，可以推导出表面等离激元波的波矢k (如图所示)的模为spk 二 ksp o'* 8 + n2m当k =k时，入射光波就会在金属表面形成表面等离激元共振 xspk = k n sin 0 = Re k0(3) 其中，8是金属的介电常数，n是待研究介质的折射率 mssp 0 p 18 n 28 + n 2m s(4)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e ］，反射光强最低时对应的共 (\ \振角e s满足：sin蔦=Re(5)8 n 2 m―s 8 + n 2 m s丿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)可进一步简化为(6)Re(8 )n2n sin 0 = m_lp sp Re(8 ) + n2m s根据(6)式可知待测液体折射率和共振角之间的关系，实验中可利用该式测量不同液体的折射率。

仪器基本原理图如图二所示结合分光计的精度和角度读数的方便性，能够精确的找到待测溶液 所对应的共振角图二 基于分光计的SPR传感器原理图实验内容及步骤：0 (° )图一 纯水的8 -P 曲线1. 传感中心调整，利用右图所示的工具，最终调整到转动 载物台，激光始终打在顶尖 III 上2. 样品测量读数（1） 测量纯净水（2） 测量不同浓度乙醇溶液角度068.069.070.071.071.572.072.573.0光强值P588500403275167141218232角度074.075.076.077.078.079.080.0光强值P281380453491511533552实验数据及数据处理1. 纯水：利用Origin作出8 -P曲线:由图可知:纯水0 sp=71.80°spRe(e ) x n■m s—)+ n 2m sn sin U = m ；由公式P SP Z m)十n 得:(1.5163xsin71.80》x 1.33321.3332 —G.5163 xsin71.80》(、(sin U ) n 2Re 吃 、= p——sp 二m n 2 一 n sin U 丿s p sp2. 水:乙醇=4:1 混合溶液角度e68.069.070.071.072.073.074.075.0光强值p631604640598606493356292角度e75.576.076.577.078.079.080.081.0光强值p260255311363392472514552利用Origin作出8 -P曲线:66 68 7072 74 76 78 80 82 8 (°) 75.80图二 4:1 乙醇的8 -P 曲线由图可知， 8 sp=75.80°)Rel )m. \ —sin 0 丿 _p sp所以，n''n sin 0 s=\： RepD—^ m：(1.5163x sin75.80°)2 x (—12.372)I = 1.356—12.372 — (1.5163 x sin 75.80。

)23. 水:乙醇=1:1 混合溶液角度e68.069.070.071.072.073.074.075.075.5光强值p647613664654643574479388277角度e76.076.577.077.578.079.080.081.0光强值259256274297342422475531利用 Origin 作出8 -P 曲线:700600500P400300图三1：1乙醇的e -p曲线72 74 76 78 80 820 (° )76.30line 2由图可知，0 sp=76.30°■ \i sin 0 J2 Re(8 ) s - Re(e )—m■'(1.5163xsin76.30°)2 x (—12.372)=1.359■ —12.372 — (1.5163 x sin76.30°)2由以上结果可以看出，溶液折射率大小关系为：1.333<1.356<1.359，由此可以推测随着乙 醇浓度升高，折射率会增大所以， n sp m = i-ri sin 0 ) \m p sp思考题：1. 为什么要使用偏振片？ 答：使用偏振片，一方面减小一部分激光的光强，保护仪器，另一方面，能够使出射的光线 只剩下P光，能够产生良好的SPR现象，便于实验观测。

误差分析及实验心得：1. 实验过程中造成误差的影响是多方面 的，对于实验数据的处理(纯水)所 作出的理想图形如下图所示，然而， 对比实验所得图形虽然数据变化趋势相同，但形状还是存在一定差距，由图像所测得的共振角有所偏差，而水1200-.1000 -800-|H2O的共振角的误差引起Re@ )误差，对m后续计算的折射率造成误差传递600400-2.在实验过程中，改变角度时由于仪器限制及人的 这样很有可能会错过其共振角的位置，导致所得 0-操作问题，导致角度的变化并非是连 g到的数据并非是共振角，并且实际上续的,二光屏~"不同位置对激光敏感度不同，即使稍微改变角度，眼睛观测到光斑仍位于中线上，但显示 的光强却有很大的不同，即偏离一小段位置对所测功率的影响是比较大的，从而导致数据 变化与理想有一些差距，从而导致所画图像出现偏差，最终影响光强最小角度的读取3. 实验中要注意操作注意事项，且老师应该提前指导一下废液的倾倒实验注意事项：1. 眼睛不要与激光对视；2. 不能手碰光学元件的表面；3. 数字功率计在测量 10 分钟前打开预热稳定，测量结束后立刻关闭。