研究生课程
纳米光学(Nano-Optics)
第11讲：等离子体(III)
董国艳
中国科学院大学材料科学与光电技术学院
课本:
S.Maier,Plasmonics:Fundamentals and Applications,Chap.3&4
回想前面的课程:
甲基毒死蜱>半个西瓜的故事由于SPP位于金属表面，我们怎么能观察或检测呢？2
本讲内容
1.SPP 激发
−−−−−−2.SPP 的表征
−−−−
3
通过高度集中的光束激发光栅耦合散射激发近场激发
其它耦合方法近场显微镜泄漏辐射显微镜荧光成像散射光成像
4
•激发SPP，入射光波矢应该满足:
k x inc =βSPP (被称为“相位匹配条件”)
conservation：守恒，momentum：动量
光子动量:
P =ħk
为什么呢？——光子的横向动量守恒!1.SPP 激发
约化普朗克常数：ћ=h/(2π)h=6.63×10-34 J·s
5
k x inc =
εd sin θ=
εd
intersection：交叉grazing incidence ：掠入射
•可以只是通过光照射在平的金属表面激发吗？
入射波矢的x 分量:
βor k x
ω
ωsp
Light line for θ<90ºω
c
少年电脑世界Light line for 掠入射(θ=90º)
ω
k inc c
SPP 散
总位于light line 的底部!(约束模)
没有交集的散曲线→无耦合进的光&无耦合出的SPP(∴约束场）因此，必须采用某些“技巧”来增大k x inc 与βSPP 匹配。
θ
ω
εθsin c
sin inc xinc d
k k ==6
22022exp[()]i t
x z E E i k x k z e ω-=+
()21212
122
2222x
x z k k n n k k k -=
-=()()1
22
121
122121212sin sin i n n k i k k n n -=-=
1
221
12
2
1sin sin 2sin sin i i i i k c c -=-=λπi 1i’
1
i 2
n 1
n 2
k 1
k’1
k 2
x
z
由边界条件，折射波的表达式
122c z z i i k k i κ
>=当，发生全内反射，为纯虚数，令n 1>n 2
2202202exp[()]exp[()]
z x E E i k r t E e i k x t κωω-=⋅-=-
全反射情况下，入射波的能量是穿透介质2内一定深度后逐渐反射的。
7
•在棱镜中, 通过全内反射(TIR)产生倏逝波•倏逝波发生隧穿透过薄膜达到空气和金属界面（1）棱镜耦合
εd2
ω能量匹配
当k SPP =k x,2强烈的耦合
ω
ωsp,1
王学左派ωsp,2
动量匹配
SPP
εd1εm
k x ,2
k 2
SPP metal-air SPP metal-prism
k x ,2=k SPP
βor k x
k SPP
total internal reflection：全内反射，tunnel：隧穿
εd2>εd1
11
=sin x d k c
ω
εθ，22
=sin x d k c
ωεθ
，8
7
•SPP 激发时，能量从入射光转移到SPP
→可观测到的反射强度最小值
d
皮皮鲁总动员在线阅读
表面等离子体谐振(SPR)
当然是“表面等离子体”
•对薄膜厚度的依赖性：存在完美耦合的最佳厚度
•谐振宽度与SPP 的阻尼有关
•被激发的SPP 是泄漏波：将辐射泄漏到棱镜中
•最小值是由泄漏波和直接全内反射波干涉相消引起的
surface plasmon resonance：表面等离子体共振，leakage：泄漏，destructive：相消的
9
成都信息工程学院学报两个耦合结构:
air metal
prism
prism
air metal
Kretschmann 结构
•需要在棱镜上蒸镀金属薄膜
Otto 结构
•避免零件与金属表面直接接触（例如，表面质量的研究）•空气间隙应控制得足够小
configuration：设置，evaporation：蒸镀
10应用举例: 生物传感器
biosensor：生物传感器，antibody：抗体，antigen：抗原，analyte：被分析物，ligand：配位体，labeling：标记
–免标记
原理:
• SPR对表面敏感•抗体附着在金表面
•互补抗原(被分析物)与抗体结合→折射率n d 变化→SPR 谷移动（监测信号）
用于监测生物分子：蛋白，配位体，DNA ，等。
–实时监测
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