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表面等离子体共振现象与应用的探究. 湖州师范学院 吴平辉. 1. 表面等离子体共振简介. 2. 从电磁理论探究全反射. 3. 表面等离子体共振原理. 4. 表面等离子体共振应用. 电磁波 共振条件. 1. 2. 一、表面等离子体共振简介. 表面等离子体共振（ Surface plasmon resonance ， SPR ），又称等离子激元共振，是一种物理光学现象。. 与光的全反射有关. 相同的频率和波矢（即波长）. 传播方向一致.
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表面等离子体共振现象与应用的探究 湖州师范学院 吴平辉
1. 表面等离子体共振简介 2. 从电磁理论探究全反射 3. 表面等离子体共振原理 4. 表面等离子体共振应用
电磁波 共振条件 1 2 一、表面等离子体共振简介 表面等离子体共振（Surface plasmon resonance ，SPR ），又称等离子激元共振，是一种物理光学现象。 与光的全反射有关 相同的频率和波矢（即波长） 传播方向一致
基于SPR原理的SPR传感技术是20世纪90年代发展起来的，生命科学、医疗检测、药物筛选、食品检测、环境检测等领域有广泛应用的一种新技术。（ DNA与蛋白质之间、蛋白质分子之间以及药物—蛋白质、核酸—核酸、抗原—抗体等生物分子之间的相互作用） 发展简史 • 1902年，Wood在光学实验中发现SPR现象 • 1941年，Fano解释了SPR现象 • 1971年，Kretschmann结构为SPR传感器奠定了基础 • 1982年，Lundström将SPR用于气体的传感（第一次） • 1983年，Liedberg将SPR用于IgG与其抗原的反应测定 • 1987年，Knoll等人开始SPR成像研究 • 1990年，Biacore AB公司开发出首台商品化SPR仪器
二、从电磁理论探究全反射 当光波从折射率为n1的介质射向折射率为n2的介质时，若 n1>n2，且入射角大于临界角 时会发生全反射现象，此时，满足 实验表明，在发生全反射时，光波并不是绝对地在界面上被全部反射回n1介质，而是透入n2介质很薄的一层表面（约一个波长）并沿着界面传输一段距离（波长量级），最后返回n1介质。这种存在于n2介质中的界面附近的表面波，称为倏逝波（衰逝波、渐消波、消逝波、隐失波）。 证明?? 电磁场边界条件—连续
证明 由矢量形式折反射定律： 如图所示，入射面为xOz，则有 当发生全反射时 ， 是一个复数
证明 由于全反射时 于是可将上式改写为 式中 将式代入电场矢量函数 可得 只能取负号才满足物理要求，因为取正号则振幅要随着距离z的增加而趋于无穷，不可能发生的状况。
结论 1、该波是沿着入射面的介质边界（即x方向）传输（行波），且振幅随着与界面的距离z做指数衰减的特殊波动，故称作倏逝波。 2、穿透深度：把振幅值衰减到原振幅值的 时对应的z值定义为倏逝波的穿透深度dm。 3、倏逝波的等幅面和等相面不一致，且两者相互垂直—非均匀波。 4、倏逝波沿x方向传播的相速度比普通平面波在介质n2中沿x方向传播的相速度要慢（慢波）。
倏逝波的应用 近场光学 显微镜 倏逝波 光纤倏逝波 生物传感器 表面等离子 体光学器件
固体 冰 液体 水 气体 水汽 等离子体 电离气体 温度 3.什么是等离子体？ 00C 1000C 100000C
表面等离子体振荡 在金属表面，电子的横向（垂直于表面）运动受到表面的阻挡，因此在表面上形成了电子浓度的梯度分布，并由此形成局限于表面上的等离子体振荡 表面等离子体波。
表面等离子体波色散曲线 波矢不相等，如何共振？
表面等离子体波色散曲线 只能改变两条色散曲线的相对位置
光波的色散曲线，与表面等离子体波不同，光波波矢与介质有关，且是入射角的函数，通过改变入射角可以改变其色散曲线的位置。光波的色散曲线，与表面等离子体波不同，光波波矢与介质有关，且是入射角的函数，通过改变入射角可以改变其色散曲线的位置。 入射光波的波矢在x方向上的分量可以表示为 共振^_^
x z 表面等离子体共振仪器 Kretschmann和Otto采用棱镜耦合的全内反射方法，实现了用光波激发表面等离子体振动并产生共振。 0 0 Prism 0 Metal m Sample 1 kev ksp k'ev ksp Prism 0 Sample 1 Metal m (A) Kretschman (B) Otto 当倏逝波与表面等离子波发生共振时，检测到的反射光强会大幅度地减弱。能量从光子转移到表面等离子，入射光的大部分能量被表面等离子波吸收，使得反射光的能量急剧减少。
SPR传感器结构图 SPR传感器结构图
SPR传感器分类 • 角度指示型：固定入射光波长，观测反射光归一化强度达到最小时的入射角； • 波长指示型：固定入射光的入射角，测量反射光归一化强度达到最小时的波长； • 光强指示型：固定入射光的入射角和波长，测量反射光的归一化光强； • 相位指示型：固定入射光的角度和波长，测量入射光和反射光的相位差。
金属表面等离子体 在金属中，价电子为整个晶体所共有，形成所谓费米电子气。价电子可在晶体中移动，而金属离子则被束缚于晶格位置上，但总的电子密度和离子密度是相同的，从整体来说金属是电中性的。人们把这种情况形象地称为“金属离子浸没于电子的海洋中”。这种情况和气体放电中的等离子体相似，因此可以把金属看作是一种电荷密度很高的低温（室温）等离子体，而气体放电中的等离子体是一种高温等离子体，电荷密度比金属中的低。 金属板中电子气的位移 （上）金属离子（+）位于“电子海洋”中（灰色背景），（下）电子集体向右移动
偏振光 • 一束光倾斜照射在介质表面，入射光和介质表面法线构成了入射面。入射光波的电场可分解为相互正交的偏振光分量。一个为在入射面内的横磁波，将其称为TM波或者P偏振波（平行于入射面，垂直于界面）；另一个为垂直于入射面，与界面平行的横电波，将其称为TE波或者S偏振波。由于S偏振光的电场与界面平行，因此电子的运动并无受到障碍，不会激励起表面等离子体波，所以不讨论。 P偏振光的电场垂直于界面，可感生表面电荷，并形成局限在表面的表面等离子体波。因此，产生表面等离子体共振的必要条件之一，是入射光波要经过偏振器起偏，且需要在光路中有效利用P偏振光。
