CN103512865B - 一种产生表面等离子体波的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开产生表面等离子体波的装置及方法。包括光源、传输光纤和三角棱镜，所述三角棱镜为底面是矩形的棱锥体，棱锥体的顶点与底面对角线中点的连线垂直于底面，底面两个长边所在的棱锥体侧面均为等腰直角三角形；所述三角棱镜的底面为传感面，该传感面上依次镀有光电耦合层和金属薄膜层，所述金属薄膜层表面覆有环境介质；所述底面两个短边所在的棱锥体侧面中的一面作为入射面，另一面作为反射面。利用本发明的装置和方法所产生的共振集中区域的能量集中且峰值显著增大，同时具有共振光谱调制特性和很高的折射率响应灵敏度。

Description

一种产生表面等离子体波的装置及方法

技术领域

本发明公开了一种产生表面等离子体波的装置和方法，属于光学滤波与调制器件设计等领域。

背景技术

表面等离子体共振(SurfacePlasmonResonance,SPR)效应作为一种存在于金属薄膜与电介质界面利用衰减全反射引起金属表面电荷振荡的物理光学现象，对于环境介质折射率的变化非常敏感。SPR技术具有特异性好、适于原位标记、无二次污染、场增强效应强等优点，已在抗原抗体免疫分析、药物筛选与鉴定、多频谱成像等领域受到广泛重视。随着分子生物检测、环保监测以及新型光学滤波器技术探索的持续深入，因此提升SPR效应调制效果及提高其响应灵敏度成为新的研究热点。

L.Wu等采用在金属薄膜外侧增覆石墨烯，研制了检测碳基环结构的SPR生物传感器，该方法主要适用于等研制了基于磁光效应Au/Co/Au夹层结构的棱镜SPR传感器，提高了DNA短链杂交的检测灵敏度，但由于系统采用角度调制装置使得检测过程较为复杂。郝鹏等采用纳米金表面修饰对传感信号的放大作用以及调节各介质层能量分布，提高了SPR生物传感器灵敏度。

以上工作大都集中于对特定监测分子适用的高灵敏度共振传感器，目前用于共振光谱与灵敏度双重调制的产生表面等离子体波的装置和方法尚未提出。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供了一种产生表面等离子体波的装置和方法，同时还提出了基于表面等离子共振的检测系统。

为解决上述技术问题，本发明一种产生表面等离子共振的装置，包括光源、传输光纤和三角棱镜，所述三角棱镜为底面是矩形的棱锥体，棱锥体的顶点与底面对角线中点的连线垂直于底面，底面两个长边所在的棱锥体侧面均为等腰直角三角形；所述三角棱镜的底面为传感面，该传感面上依次镀有光电耦合层和金属薄膜层，所述金属薄膜层表面覆有环境介质；所述底面两个短边所在的棱锥体侧面中的一面作为入射面，另一面作为反射面；其中，光源输出的入射光以预设入射角经传输光纤传输至入射面发生折射后依次传输至光电耦合层、金属薄膜层。

进一步地优选方案，本发明产生表面等离子共振的装置中，所述入射角为45度。

进一步地优选方案，本发明产生表面等离子共振的装置中，所述光源与传输光纤之间设置偏光器，所述偏光器用于分离入射光中的P偏振光。

进一步地优选方案，本发明产生表面等离子共振的装置中，所述光电耦合层为TiO2，折射率为2.2，厚度为150nm；棱镜材料为K9，折射率为1.5163；金属薄膜层的厚度为50nm，其中光电耦合层的折射率和厚度利用时域有限差分法数值模拟确定。

进一步地优选方案，本发明产生表面等离子共振的装置中，所述光源为波长为400-1000nm的宽带光源。

进一步地优选方案，本发明产生表面等离子共振的装置中，所述环境介质为液态介质，其折射率范围为1.33-1.37。

一种产生表面等离子体波的方法，该方法基于上述产生表面等离子体波的装置来实现，具体包括：

(1)、入射角为45度，波长为400-1000nm的入射光经传输光纤传输至入射面，在所述入射面发生折射，光波经过棱镜的传输到达光电耦合层界面；

(2)、将不同折射率的环境介质分别覆盖于金属薄膜层表面，此时入射光在光电耦合层-金属薄膜层界面发生全反射，激发金属薄膜层与环境介质界面发生表面等离子体共振效应，产生表面等离子体波。

进一步地优选方案，本发明产生表面等离子体波的方法中，当环境介质为液态介质时，每次通过滴管滴3-5滴介质至金属薄膜层表面。

一种基于表面等离子共振的检测系统，该系统用于检测不同折射率的环境介质下反射光强度与入射波长之间的关系，具体包括产生表面等离子体波的装置、传输光纤I，其中，所述产生表面等离子体波的装置为上述装置，

光源输出的入射光经传输光纤入射至入射面发生折射后在传感面发生全反射；全反射产生的平行于入射光的反射光路上依次设有聚焦透镜和光纤光谱仪，反射光经传输光纤I传输至聚焦透镜聚焦后传输给光纤光谱仪；光纤光谱仪外接计算机检测光谱图经光谱分析呈现出不同折射率的环境介质下的反射光强度与入射波长之间的关系，该关系满足以下条件：

$R={\left|\frac{{\mathrm{\η}}_1-Y}{{\mathrm{\η}}_1+Y}\right|}^2$

式中，R为棱镜中P光的光强反射率，η₁=N₁/cosθ₁为棱镜的导纳，N₁为棱镜的绝对折射率，θ₁为入射角，Y=C′/B′，其中，B′为入射光电场振幅、C′为入射光磁场振幅； $\left[\begin{array}{c}{B}^{\′}\\ C^{\′}\end{array}\right]=\left\{\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\δ}}_2& \frac{i}{{\mathrm{\η}}_2}\sin {\mathrm{\δ}}_2\\ i{\mathrm{\η}}_2\sin {\mathrm{\δ}}_2& \cos {\mathrm{\δ}}_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\δ}}_3& \frac{i}{{\mathrm{\η}}_3}\sin {\mathrm{\δ}}_3\\ i{\mathrm{\η}}_3\sin {\mathrm{\δ}}_3& \cos {\mathrm{\δ}}_3\end{array}\right]\right\}\left[\begin{array}{c}1\\ {\mathrm{\η}}_4\end{array}\right],$

δ₂=2πN₂d₁cosθ₂/λ，其中N₂为光电耦合层折射率；i是虚数单位，d₁为光电耦合层的厚度，θ₂为入射光在光电耦合层界面的反射角，λ为入射光波长；

η₂=N₂/cosθ₂为光电耦合层的导纳；δ₃=2πN₃d₂cosθ₃/λ，其中N₃为金属薄膜层复折射率，d₂为金属薄膜层的厚度，θ₃为入射光在金属薄膜层界面的反射角，η₃=N₃/cosθ₃为金属薄膜层的导纳，η₄=N₄/cosθ₄为环境介质的导纳，N₄为环境介质绝对折射率，θ₄为入射光在环境介质界面的反射角。

进一步地优选方案，本发明基于表面等离子共振的检测系统中，所述环境介质的折射率为1.33-1.37。

本发明与现有技术相比具有以下显著的有点：1)采用本发明所述的产生表面等离子体波的装置所产生的共振集中区域相比传统基于棱镜Kretschmann三层结构激励模型所构建的产生装置在该区域内具有的能量集中且峰值显著增大，说明本发明装置拥有更高的共振强度；2)本发明所述的产生表面等离子体波的装置用于检测环境介质折射率时，共振波长出现展宽，显著提高了其折射率响应灵敏度，但检测范围较小，说明本发明装置具有共振光谱调制特性和很高的折射率响应灵敏度。

附图说明

图1为本发明产生表面等离子体波的装置结构示意图；

图2为本发明设有偏光器的产生表面等离子体波的装置结构示意图；

图3本发明基于表面等离子体波的检测系统的结构示意图；

图4为本发明检测系统中光电耦合层厚度与共振效应能量强度关系曲线。

图5为本发明检测系统中光电耦合层折射率与共振效应能量强度关系曲线。

图6(a)为基于棱镜Kretschmann三层结构的检测系统中共振光谱随环境介质折射率变化的关系曲线；图6(b)为本发明所述检测系统中共振光谱随环境介质折射率变化的关系曲线。

图7为本发明所述检测系统中与基于棱镜Kretschmann三层结构的检测系统中共振半波宽度随环境介质折射率变化关系曲线。

图8为本发明所述检测系统中与基于棱镜Kretschmann三层结构的检测系统中共振波长随环境介质折射率变化的响应曲线。

具体实施方式

如图1、图2所示本发明一种产生表面等离子体波的装置，包括光源、传输光纤5和三角棱镜1，所述三角棱镜为底面是矩形的棱锥体，棱锥体的顶点与底面对角线中点的连线垂直于底面，底面两个长边所在的棱锥体侧面均为等腰直角三角形；所述三角棱镜的底面为传感面，该传感面上依次镀有光电耦合层2和金属薄膜层3，所述金属薄膜层表面覆有环境介质；所述底面两个短边所在的棱锥体侧面中的一面作为入射面，另一面作为反射面；其中，光源输出的入射光以预设入射角经传输光纤传输至入射面发生折射后依次传输至光电耦合层、金属薄膜层。

所述光电耦合层为TiO2，折射率为2.2，厚度为150nm；棱镜材料为K9，折射率为1.5163；金属薄膜层的厚度为50nm，所述光源为波长为400-1000nm的宽带光源，所述环境介质为液态介质，其折射率范围1.33-1.37，在该装置中，为了便于SPR效应的观察，也可在光源与传输光纤之间设置偏光器7，偏光器用于分离入射光P偏振光。

一种产生表面等离子体波的方法，该方法基于上述产生表面等离子体波的装置来实现，具体包括：

(1)、入射角为45度，波长为400-1000nm的入射光经传输光纤传输至入射面，在所述入射面发生折射，光波经过棱镜的传输到达光电耦合层界面,所述入射光当经偏光器后即为分离出的入射P偏振光；

(2)、将不同折射率的环境介质分别覆盖于金属薄膜层表面，此时入射光在光电耦合层-金属薄膜层界面发生全反射，激发金属薄膜层与环境介质界面发生表面等离子体共振效应，产生表面等离子体波；当环境介质为液态介质时，每次通过滴管滴3-5滴介质至金属薄膜层表面。

如图3所示，一种基于表面等离子共振的检测系统，该系统用于检测不同折射率的环境介质下的反射光强度与入射波长之间的关系，具体包括产生表面等离子体波的装置、传输光纤I6、聚焦透镜、光纤光谱仪和计算机，

光源输出的入射光经传输光纤入射至入射面发生折射后在传感面发生全反射；全反射产生的平行于入射光的反射光路上依次设有聚焦透镜和光纤光谱仪，反射光经传输光纤I传输至聚焦透镜聚焦后传输给光纤光谱仪；光纤光谱仪外接计算机检测光谱图经光谱分析呈现出不同折射率的环境介质下的反射光强度（通过光强反射率来体现）与入射波长之间的关系，该关系满足以下条件：

$R={\left|\frac{{\mathrm{\η}}_1-Y}{{\mathrm{\η}}_1+Y}\right|}^2$

式中，R为棱镜中P光的光强反射率，η₁=N₁/cosθ₁为棱镜的导纳，N₁为棱镜的折射率，θ₁为入射角，Y=C′/B′，其中，B′为入射光电场振幅、C′为入射光磁场振幅； $\left[\begin{array}{c}{B}^{\′}\\ C^{\′}\end{array}\right]=\left\{\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\δ}}_2& \frac{i}{{\mathrm{\η}}_2}\sin {\mathrm{\δ}}_2\\ i{\mathrm{\η}}_2\sin {\mathrm{\δ}}_2& \cos {\mathrm{\δ}}_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\δ}}_3& \frac{i}{{\mathrm{\η}}_3}\sin {\mathrm{\δ}}_3\\ i{\mathrm{\η}}_3\sin {\mathrm{\δ}}_3& \cos {\mathrm{\δ}}_3\end{array}\right]\right\}\left[\begin{array}{c}1\\ {\mathrm{\η}}_4\end{array}\right],$

δ₂=2πN₂d₁cosθ₂/λ，其中N₂为光电耦合层折射率；i是虚数单位，d₁为光电耦合层的厚度，θ₂为入射光在光电耦合层界面反射角，λ为入射光波长；η₂=N₂/cosθ₂为光电耦合层的导纳；δ₃=2πN₃d₂cosθ₃/λ，其中N₃为金属薄膜层复折射率，d₂为金属薄膜层的厚度，θ₃为入射光在金属薄膜层界面的反射角，η₃=N₃/cosθ₃为金属薄膜层的导纳，η₄=N₄/cosθ₄为环境介质的导纳，N₄为环境介质绝对折射率，θ₄为入射光在环境介质界面的反射角。所述环境介质的折射率为1.33-1.37。

本发明采用光电耦合层厚度为50-300nm的选取范围，折射率1.5-3.5，50-300nm的选取范围，折射率为1-3.5，棱镜材料为K9，折射率为1.5163；金属薄膜层材料为金膜，厚度为50nm，光源为波长400-1000nm的宽带光源，所述环境介质为液态介质，其折射率范围为1.33-1.37，该液体介质为水与乙醇不同浓度配比，入射角45°,作为仿真条件；

1、本发明基于时域有限差分法与MATLAB数值模拟确定光电耦合层的折射率、厚度及折射率响应灵敏度。

由于光电耦合层的厚度和折射率对共振效应的结果均产生影响，通过在棱镜基底内侧光波传输区域(棱镜-光电耦合层界面)坡印亭矢量峰值及共振激励区域(金膜-环境介质界面)坡印亭矢量峰值处分别设置观察点，得到观察点的坡印廷矢量S随光电耦合层厚度、折射率变化关系曲线，当光电耦合层厚度为50-300nm的任一定值时，共振强度最大总是出现在光电耦合层折射率为2.0左右，而当光电耦合层材料(即折射率)一定时，随着耦合层厚度增大，将会加强共振效应，而耦合层厚度的持续增大，反而使得共振强度减小。

如图4所示，当光电耦合层厚度为50-150nm时，共振区域观察点处的坡印廷矢量S显著高于其它厚度对应的S，而此厚度范围相应的光波传输区域S均较小。这是由于金属薄膜表面等离子振荡波吸收棱镜内侧光波能量，使得共振区域能量大幅提高，而引起相应反射光波能量明显减少所致。当光电耦合层厚度为150nm时，共振激励区域S较大，相应的光波传输区域S极小值，此时SPR效应最强烈。在图5中，当光电耦合层折射率为2.0左右时,共振区域观察点处S为极大，表明此处SPR效应最强烈。但是由于考虑材料及制作工艺，考虑材料等因素，本发明产生表面等离子体波的装置中的光电耦合层选用厚度为150nm，折射率2.2的TiO2，从图5中可知折射率2.2与折射率2.0相比共振效果相差不大。

2、基于波长调制方式（波长为400-1000nm），对本发明的表面等离子体共振检测系统与基于棱镜Kretschmann三层结构激励模型所构建的检测系统的共振光谱随环境介质折射率（1.33-1.37）变化的关系曲线；本发明的表面等离子体共振检测系统选取1中光电耦合层的优化参数即折射率为2.2、厚度为150nm进行仿真；

根据薄膜光学理论，膜层与棱镜基体组合导纳Y与入射光电场振幅B和磁场振幅C有关，定义为Y=C/B。则光波振幅反射系数r和光强能量反射率R为：

$r=\frac{{\mathrm{\η}}_1-Y}{{\mathrm{\η}}_1+Y},R=r\·r^{*}=\left(\frac{{\mathrm{\η}}_1-Y}{{\mathrm{\η}}_1+Y}\right){\left(\frac{{\mathrm{\η}}_1-Y}{{\mathrm{\η}}_1+Y}\right)}^{*}={\left|\frac{{\mathrm{\η}}_1-Y}{{\mathrm{\η}}_1+Y}\right|}^2---\left(1\right)$

Kretschmann三层结构对应的特征矩阵为:

$\left[\begin{array}{c}B\\ C\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\δ}}_3& \frac{i}{{\mathrm{\η}}_3}\sin {\mathrm{\δ}}_3\\ i{\mathrm{\η}}_3\sin {\mathrm{\δ}}_3& \cos {\mathrm{\δ}}_3\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}1\\ {\mathrm{\η}}_4\end{array}\right]---\left(2\right)$

式中，B、C分别为Kretschmann三层结构中入射光电场振幅和磁场振幅，θ₁是波长为λ的入射光在棱镜界面的入射角（优选45度）；δ₃=2πN₃d₂cosθ₃/λ是金属薄膜层位相厚度，N₃=n₃-ik₃表示金属薄膜层复折射率，n₃表示金属薄膜层的折射率，k₃表示吸收系数，i是虚数单位，d₂为金属薄膜层厚度；光的反射及折射定律得出入射光在金属薄膜层、环境介质界面的反射角分别是θ₃、θ₄；η_j=N_j/cosθ_j(j=1,3,4)分别为棱镜、金属薄膜层、环境介质导纳；分别表示棱镜基体、环境介质绝对折射率；ε₁表示棱镜基体的介电常数，ε₄表示环境介质的介电常数；

同理，光电耦合层型四层结构对应的特征矩阵为:

$\left[\begin{array}{c}{B}^{\′}\\ C^{\′}\end{array}\right]=\left\{\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\δ}}_2& \frac{i}{{\mathrm{\η}}_2}\sin {\mathrm{\δ}}_2\\ i{\mathrm{\η}}_2\sin {\mathrm{\δ}}_2& \cos {\mathrm{\δ}}_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\δ}}_3& \frac{i}{{\mathrm{\η}}_3}\sin {\mathrm{\δ}}_3\\ i{\mathrm{\η}}_3\sin {\mathrm{\δ}}_3& \cos {\mathrm{\δ}}_3\end{array}\right]\right\}\left[\begin{array}{c}1\\ {\mathrm{\η}}_4\end{array}\right]---\left(3\right)$

式中，B′、C′分别为光电耦合层型四层结构中入射光电场振幅和磁场振幅，；δ₂=2πN₂d₁cosθ₂/λ表示光电耦合层位相厚度，为光电耦合层折射率，ε₂表示光电耦合层的介电常数，d₁表示光电耦合层厚度，θ₂为入射光在光电耦合层界面反射角，λ为入射波长；η₂=N₂/cosθ₂表示光电耦合层导纳；i是虚数单位；δ₃=2πN₃d₂cosθ₃/λ是金属薄膜层位相厚度，N₃=n₃-ik₃表示金属薄膜层复折射率，n₃表示金属薄膜层的折射率，k₃表示吸收系数，d₂为金属薄膜层厚度；η_j=N_j/cosθ_j(j=1,2，3,4)分别为棱镜、光电耦合层、金属薄膜层、环境介质导纳；分别表示棱镜基体、环境介质绝对折射率；ε₁表示棱镜基体的介电常数，ε₄表示环境介质的介电常数。

从公式（1）、（2）、（3）可知，当入射光在棱镜界面的入射角θ₁、环境介质折射率N₄、金属薄膜层厚度d₂和折射率N₃、光电耦合层厚度d₁和折射率N₂已知的情况下，光强能量反射率R随入射波长λ的变化而变化即每个环境介质折射率对应一个光强能量反射率R与入射波长λ的关系曲线；如图6（a）、图6（b）所示随着环境介质折射率增加，本发明的共振光谱均会向长波方向偏移，当环境介质折射率相同时，相对于Kretschmann三层结构，其共振波长向长波方向出现明显偏移。

3、如图7所示，当环境介质折射率相同时，本发明的共振光谱呈现明显展宽效应，共振半波宽度均明显大于Kretschmann三层结构。

结合以上1、2、3点得到共振波长随环境介质折射率变化的响应曲线，比较本发明对环境介质折射率响应灵敏度与Kretschmann三层结构对环境介质折射率响应灵敏度。

如图8所示，本发明与Kretschmann三层的共振波长随环境介质折射率变化的响应曲线。图中显示，本发明对折射率响应灵敏度呈现大幅提高，显著高于Kretschmann三层结构。

本发明用于共振光谱与灵敏度双重调制的表面等离子体共振复合膜层结构，并构建了基于该复合膜层的产生表面等离子体波的装置及方法，光电耦合层通过改变光波的传播路径，能够有效调节金属薄膜下界面的表面等离子体波与消逝波波矢量匹配特性。通过光电耦合层属性参数(厚度、折射率)优化配置，实现对共振光谱和折射率响应灵敏度的调制效果。

Claims (2)

1.一种基于表面等离子共振的检测系统，具体包括产生表面等离子体波的装置、传输光纤I，产生表面等离子体波的装置包括光源、传输光纤和三角棱镜，所述三角棱镜为底面是矩形的棱锥体，棱锥体的顶点与底面对角线中点的连线垂直于底面，底面两个长边所在的棱锥体侧面均为等腰直角三角形；所述三角棱镜的底面为传感面，该传感面上依次镀有光电耦合层和金属薄膜层，所述金属薄膜层表面覆有环境介质；所述底面两个短边所在的棱锥体侧面中的一面作为入射面，另一面作为反射面；其中，光源输出的入射光以预设入射角经传输光纤传输至入射面发生折射后依次传输至光电耦合层、金属薄膜层，所述入射角为45度，所述光电耦合层为TiO₂，折射率为2.2，厚度为150nm；棱镜材料为K9，折射率为1.5163；金属薄膜层的厚度为50nm，其中光电耦合层的折射率和厚度利用时域有限差分法数值模拟确定，其特征在于：该系统用于检测不同折射率的环境介质下反射光强度与入射波长之间的关系，

光源输出的入射光经传输光纤入射至入射面发生折射后在传感面发生全反射；全反射产生的平行于入射光的反射光路上依次设有聚焦透镜和光纤光谱仪，反射光经传输光纤I传输至聚焦透镜聚焦后传输给光纤光谱仪；光纤光谱仪外接计算机检测光谱图经光谱分析呈现出不同折射率的环境介质下的反射光强度与入射波长之间的关系，该关系满足以下条件：

式中，R为棱镜中P光的光强反射率，η₁＝N₁/cosθ₁为棱镜的导纳，N₁为棱镜的绝对折射率，θ₁为入射角，Y＝C′/B′，其中，B′为入射光电场振幅、C′为入射光磁场振幅；

δ₂＝2πN₂d₁cosθ₂/λ，其中N₂为光电耦合层折射率，d₁为光电耦合层的厚度，θ₂为入射光在光电耦合层界面的反射角，λ为入射光波长；i是虚数单位；

η₂＝N₂/cosθ₂为光电耦合层的导纳；δ₃＝2πN₃d₂cosθ₃/λ，其中N₃为金属薄膜层复折射率，d₂为金属薄膜层的厚度，θ₃为入射光在金属薄膜层界面的反射角，η₃＝N₃/cosθ₃为金属薄膜层的导纳,η₄＝N₄/cosθ₄为环境介质的导纳，N₄为环境介质绝对折射率，θ₄为入射光在环境介质界面的反射角。

2.根据权利要求1所述的基于表面等离子共振的检测系统，其特征在于：所述环境介质的折射率为1.33-1.37。