CN104535545B

CN104535545B - 一种基于金属薄膜spr色散的图像化测量装置和测量方法

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Publication number: CN104535545B
Application number: CN201410853476.XA
Authority: CN
Inventors: 雷欣瑞; 鲁拥华; 王沛
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2014-12-31
Filing date: 2014-12-31
Publication date: 2017-05-17
Anticipated expiration: 2034-12-31
Also published as: CN104535545A

Abstract

本发明公开了一种基于金属薄膜SPR(Surface Plasmon Resonance)色散的图像化测量装置和测量方法，实现宽光谱范围内金属薄膜复折射率的成像测量。其特征在于：采用连续谱白光光源，拓宽了光谱的测量范围；另一方面，利用透镜聚焦和光栅分光，将角度和波长在空间以正交的方向分开，由CCD探测光强，可以一次性获得所有波长和角度的SPR反射谱，从而一次性获得整条色散曲线，无需角度或波长扫描，极大地提高了信号获取的速度和光谱取样的精度。实现宽谱范围内的快速、非扫描图像化测量。

Description

一种基于金属薄膜SPR色散的图像化测量装置和测量方法

技术领域

本发明涉及测量金属薄膜复介电系数色散的技术领域，具体涉及一种基于金属薄膜SPR色散的图像化测量装置和测量方法，本发明利用表面等离激元共振成像的图像化测量装置实现了一种可以对金属薄膜复介电系数在可见光光谱范围内一次性测量的方法。

背景技术

自由电子与光波电磁场耦合形成的表面等离激元共振(Surface PlasmonResonance,SPR)，是金属独特的光学性质之一，基于此发展起来的表面等离激元光学(Plasmonics)已经广泛地影响了集成光电子领域、非线性光学、生物学和分子学等领域。金属的光学性质取决于它的光学介电系数。与透明电介质不同，金属的介电系数通常是复数，相应地，其光学折射折射率也需要用复折射率来描述。在可见光频段，贵金属(如，金、银等)的复介电系数的实部是一个较大的负数，这也是表面等离激元共振能够存在的必要条件。一般地，金属薄膜的复电系数与其体材料下的值不同，而且不同工艺条件制备的薄膜的复介电系数也会有所不同，此外，金属的复介电系数对波长具有强烈的依赖，表现出强的色散特性。因此，金属薄膜的复介电系数色散的测量是表面等离激元光学中的一个重要的基本实验技术。

早在1900年Drude就提出研究金属介电系数的Drude模型以解释电子在导体中的输运性质。通过求解电场中的电子运动方程，从而得到电流密度、电导率、介电系数等参数的色散关系。1972年J.E.Nestell,Jr.和R.W.Christy利用倾斜入射薄膜材料的方法实现对金属介电系数的测量(Derivation of Optical Constants of Metals from Thin-FilmMeasurements at Oblique Incidence,Applied Optics,Vol.11,Issue 3,pp.643-6511972)：将光倾斜入射到薄金属-介质界面，测量反射率与透射率，进而利用菲涅尔公式拟合出介电系数与反射—透射率在不同入射角下的等高线，计算出介电系数的值。但是其测量精度依赖于入射角的大小，只有在特定的入射角范围内的测量才相对准确。1981年WP Chen利用双波长法对金属介电常数及膜厚度进行测量(Use of surface plasma waves fordetermination of the thickness and optical constants of thin metallic films,Vol.71,No.2/February 1981/J.Opt.Soc.Am.189)：使用Kretschmann衰减全反射结构(Attenuated Total Reflectance,ATR)，对两束不同波长的激光分别进行角度扫描，得到两幅ATR曲线，提取其中的共振角，半高宽及反射率的最小值信息，其中半高宽为反射率取最大值与最小值均值时的角宽度，利用方程组求出金属介电常数及膜厚度，由于一个波长会解出两组结果，因此需要双波长测量，取接近的作为最终解。这种方法将反射率随入射角的改变用一条曲线表示出来，有效避免了测量精度对入射角的依赖。但是半高宽的测量误差对结果会产生较大的影响。在此基础上，Jin-Jung Chyou等人对双波长法测量金属介电常数及膜厚度的数值分析方法做出改进(Precise determination of the dielectricconstant and thickness of a nanolayer by use of surface plasmon resonancesensing and multiexperiment linear data analysis,Applied Optics,Vol.45,Issue23,pp.6038-6044 2006)：利用Kretschmann衰减全反射结构测量两种波长下反射率随入射角的变化曲线图，得到共振角，半高宽，及反射率的最小值，利用方程组解出本证衰减及辐射衰减的虚部，并将辐射衰减的实部的初值设为0，进而求得介电常数与膜厚度的初值，再利用介电常数与膜厚得到新的辐射衰减的实部，重复之前的过程，直到相邻两次得到的辐射衰减的实部的差值收敛到最小值。这种方法大大提高了测量的准确性，但是仅仅局限于单一波长的测量。黄妍等人对光路做出改进，提出一种宽谱测量方法(The determinationof the thickness and the optical dispersion property of gold film usingspectroscopy of a surface plasmon in the frequency domain,Chin.Phys.B Vol.22,No.2,2013,027301)：将Kretschmann衰减全反射结构中的激光光源替换为卤素灯光源，光强探测器替换为光谱仪，这样就可以只扫描一次角度而得到一个宽谱范围内的ATR曲线，最终介电常数及膜厚度由多条ATR曲线给出，提高了测量的准确性及效率。但是由于工作量比较大，并且角度的扫描步长只有0.1°，测量不够精细，实际测量的波长数量有限，只提取了537.12nm–905.52nm之间的50个波长。以上方法都以ATR扫描角度为基础，平台转动与光强探测器的不稳定性带的误差难以避免。针对这种不足，Colin J.Alleyne设计了一套图像化测量系统(Numerical method for high accuracy index of refraction estimationfor spectro-angular surface plasmon resonance systems,Optics Express,Vol.16Issue 24,pp.19493-19503,2008)，并实现了实时的生物传感测量(Analysis of surfaceplasmon spectro-angular reflectance spectrum:real-time measurement,resolutionlimits,and applications to biosensing,Optics Letters,Vol.36Issue 1,pp.46-482011)。这里，我们基于SPR色散的图像化测量系统和改进的信号处理方法，发明了一种金属薄膜复介电系数的宽光谱范围测量的新方法。

发明内容

本发明的目的在于实现对贵金属纳米薄膜复介电系数色散的快速、准确测量。本发明提供的基于金属薄膜SPR色散的图像化测量装置和测量方法实现了在宽的光谱范围内对金属薄膜复折射率的一次性成像测量。该方法具有非扫描、测量速度快、测量光谱范围宽、光谱采样率高等特点。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于金属薄膜SPR色散的图像化测量装置，该装置包括：溴钨灯光源、准直系统、第一分束镜、固体激光器、He-Ne激光器、第二分束镜、扩束系统、偏振片、第一柱透镜、棱镜、第二柱透镜、闪耀光栅、第三柱透镜和CCD；其中，第一柱透镜、棱镜、第二柱透镜、闪耀光栅、第三柱透镜和CCD组成测量系统；溴钨灯光源出射的白光经过准直系统变为白光平行光，固体激光器出射的光束与He-Ne激光器出射的光束经过第二分束镜后合为一束光，再由扩束系统扩束后经过第一分束镜，与白光平行光合为一束后经过偏振片变为TM偏振光，之后经过第一柱透镜后聚焦到镀有待测金属膜的棱镜表面，产生一定的入射角范围，光束经过棱镜表面反射后经过第二柱透镜还原为平行光，第二柱透镜与第一柱透镜焦距相等；从第二柱透镜出射的光束入射到闪耀光栅表面，光栅的刻线方向与偏振方向平行；光栅将不同波长的光以不同的衍射角在空间分开后经过第三柱透镜聚焦，用CCD在后焦面接收图像；最终由CCD采集到一张反射光强的角度、波长依赖图像。

其中，将预先记录的无银膜时的色散图像作为背景扣除，并进行定标及归一化后得到角度—波长—光强反射率的SPR色散图像。

其中，该装置利用透镜聚焦和光栅分光，将角度和波长在空间以正交的方向分开，用CCD探测光强，得到三维的SPR色散曲线。

其中，利用光栅方程及位置方程，获得波长坐标的绝对值及角度坐标的绝对值。

本发明另外提供一种金属薄膜复介电系数色散在可见光光谱范围的一次性测量方法，该方法利用上述的基于金属薄膜SPR色散的图像化测量装置，该方法具体步骤为：

步骤(1)、溴钨灯光源出射的白光经过准直系统变为平行光；

步骤(2)、固体激光器出射的光束与He-Ne激光器出射的光束经过分束镜后合为一束光，再由扩束系统扩束后经过分束镜，与白光合为一束后经过偏振片变为TM偏振光，之后经过柱透镜后聚焦到镀有待测金属膜的棱镜表面，产生一定的入射角范围；

步骤(3)、光束经过棱镜表面反射后经过柱透镜还原为平行光，柱透镜与柱透镜焦距相等；

步骤(4)、从柱透镜出射的光束入射到闪耀光栅表面，光栅的刻线方向与偏振方向平行；

步骤(5)、光栅将不同波长的光以不同的衍射角在空间分开后经过柱透镜聚焦，用CCD在后焦面接收图像；

步骤(6)、最终由CCD采集到一张反射光强的角度、波长依赖图像；

步骤(7)、将预先记录的无银膜时的色散图像作为背景扣除，并进行定标及归一化后得到角度—波长—光强反射率的SPR色散图像，然后用原子力显微镜(Atomic ForceMicroscope,AFM)测量金属膜厚度。

其中，该方法将色散曲线中的波长逐一提取出来，得到不同波长下的ATR曲线。

其中，该方法从ATR曲线中提取共振角及反射率的最小值，由波矢匹配关系及共振角计算金属复介电系数的实部。

其中，该方法利用金属复介电系数的实部，虚部，反射率的最小值及膜厚度之间的函数关系求解得出金属薄膜复介电系数的虚部。

本发明采用的原理在于：

本发明基于Kretschmann衰减全反射结构，利用柱透镜和光栅将入射角与波长在两个正交的维度分开，得到宽谱的三维SPR色散曲线。进一步的，将预先记录的无银膜时的反射图像作为背景扣除，消去光路和光源光谱的影响，获得理想的SPR谱。进一步的，利用两个不同波长的激光标定SPR谱的波长位置，从而获得波长坐标的绝对值。进一步的，利用Kretschmann衰减全反射结构测量标定波长的ATR曲线，利用共振峰标定SPR谱的角度位置，从而获得角度坐标的绝对值。进一步的，从校正后的SPR波长角度谱中提取共振峰的位置和反射率，利用SPR电磁理论求解得出金属薄膜介电系数的复色散曲线。进一步的，该方法具体测量过程为：溴钨灯光源出射的白光经过准直系统及偏振片变为平行的TM偏振光，入射到柱透镜上，以不同的入射角聚焦到棱镜—金属界面，并反射到另一柱透镜上，还原为平行光，此时不同波长的光在不同的入射角下激发SP。之后，入射到闪耀光栅上，光栅的刻线方向与光偏振方向平行，光栅将不同波长的光以不同的衍射角在与偏振方向正交的方向分开，再经过柱透镜，用CCD在透镜后焦面进行图像收集，得到角度—波长—光强反射率的SPR色散图像，并进行定标及归一化。将色散图像按波长逐一提取出来，得到不同波长下的ATR曲线。用原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)测量金属膜厚度。从ATR曲线中提取共振角及反射率的最小值，由共振角计算金属复介电系数的实部，由金属复介电系数的实部，反射率的最小值及膜厚度计算复介电系数的虚部。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)快速、非扫描测量，图像化测量可以一次性获得所有波长和角度的SPR反射谱，从而一次性获得整条色散曲线，无需角度或波长扫描，极大地提高了信号获取的速度。

(2)宽光谱范围、准连续谱测量，采用连续谱白光光源和光栅分光，极大提高了光谱取样的精度和光谱的测量范围。

附图说明

图1(a)、图1(b)为本发明的白光激发SPR的图像化测量装置示意图，其中图1(a)为俯视图，图1(b)为正视图。其中，1为溴钨灯光源，2为准直系统，3为第一分束镜，4为固体激光器，5为He-Ne激光器，6为第二分束镜，7为扩束系统，8为偏振片，10为第一柱透镜，11为棱镜，12为第二柱透镜，13为闪耀光栅，14为第三柱透镜，15为CCD。

图2为CCD采集的图像经过定标及归一化后的白光SPR色散曲线。

图3(a)、图3(b)为由SPR色散曲线计算出的银膜的介电系数谱，其中图3(a)为介电系数的实部，图3(b)为介电系数的虚部。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

如图1(a)所示，本发明一种基于金属薄膜SPR色散的图像化测量装置，包括：溴钨灯光源1、准直系统2、第一分束镜3、固体激光器4、He-Ne激光器5、第二分束镜6、扩束系统7、偏振片8、第一柱透镜10、棱镜11、第二柱透镜12、闪耀光栅13、第三柱透镜14和CCD15；其中，第一柱透镜10、棱镜11、第二柱透镜12、闪耀光栅13、第三柱透镜14和CCD15组成测量系统9；溴钨灯光源1出射的白光经过准直系统2变为平行光，固体激光器4出射的光束(532nm)与He-Ne激光器5出射的光束(632.8nm)经过第二分束镜6后合为一束光，再由扩束系统7扩束后经过第一分束镜3，与白光合为一束后经过偏振片8变为TM偏振光，之后进入图像化测量系统9。合束后的平行光经过第一柱透镜10后聚焦到镀有银膜的棱镜11表面，产生一定的入射角范围。光束经过棱镜表面后反射(此时不同波长的光分别在不同的入射角下激发SP)。反射光经过第二柱透镜12还原为平行光，第二柱透镜12与第一柱透镜10焦距相等。如图1(b)所示，从第二柱透镜12出射的光束入射到闪耀光栅13表面，光栅的刻线方向与偏振方向平行。光栅将不同波长的光以不同的衍射角在空间分开(波长分开的维度与角度正交)。然后经过第三柱透镜14聚焦，用CCD在后焦面接收图像，固体激光器和He-Ne激光器用以确定后焦面。最终由CCD采集到一张反射光强的角度、波长依赖图像。将预先记录的无银膜时的色散图像作为背景扣除，并进行归一化，即得到角度—波长—光强反射率的SPR色散图像。

由于图像中的横纵坐标不能直接表示波长及入射角，因此需要对坐标进行标定，标定方法如下：利用光栅方程：

d sin(θ₀+δ_i)＝λ_i

及位置方程：

f tanδ_i＝x_i-x₀(i＝1,2)

计算CCD上任意位置的波长，其中d为光栅常数，f为第三柱透镜14的焦距，θ₀和x₀分别为第三柱透镜14的光轴方向及其在CCD上的位置，δ_i为相对于光轴方向的偏转角，λ₁，λ₂分别为532nm及632.8nm。利用Kretschmann衰减全反射结构测量棱镜—银膜结构在532nm及632.8nm激发波长下的激发角，将白光色散图像中波长为532nm及632.8nm的两条曲线提取出来，与ATR曲线进行对比校准，得到两个激发角在CCD上对应的位置。利用方程：

f tan(θ_i-θ₀)＝y_i-y₀(i＝1,2)

计算CCD上任意位置的角度，其中f为第二柱透镜12的焦距，θ₀和y₀分别为柱透镜10的光轴方向所对应的入射角及其对应于CCD上的位置。由此可以得到标定后的三维色散图像。从校正后的SPR波长角度谱中提取共振峰的位置和反射率，利用SPR电磁理论求解得出金属薄膜介电系数的复色散曲线。

本发明中基于金属薄膜SPR色散的图像化测量装置的光路图如图1(a)、图1(b)所示。由CCD采集图像并经过定标及归一化后得到的三维色散图像如图2所示。逐一提取色散图像中的波长，得到一系列波长下的ATR曲线。由ATR曲线提取共振角及反射率的极小值信息。由于只存在近似的匹配，共振角由以下公式给出：

其中k₀为入射波矢，θ_sp为共振角，ε₀，ε₂分别为空气与棱镜的介电常数，ε_1r为Ag介电系数的实部。由此解出Ag复介电系数的实部。

对于Kretschmann衰减全反射结构，反射率由以下公式给出：

其中为激发波矢，为纵向传播常数，(i＝0,1,2)，d为银膜厚度(由原子力显微镜测量)，将的实部与虚部分别相对应，得到：

将γ_ij用α_1r α_1i ε_1r ε_1i表示出来：

重新将反射率公式用γ_01r，γ_01i，γ_12r，γ_12i表示：

上述方程只有ε_1i一个未知量，由matlab求解此超越方程得到Ag膜复介电系数的虚部。

图3(a)、图3(b)为利用校正后的SPR波长角度谱求解的Ag膜介电系数的复色散曲线，其中图3(a)为介电系数的实部，图3(b)为介电系数的虚部。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims

1.一种基于金属薄膜SPR色散的图像化测量装置，其特征在于：该装置包括：溴钨灯光源(1)、准直系统(2)、第一分束镜(3)、固体激光器(4)、He-Ne激光器(5)、第二分束镜(6)、扩束系统(7)、偏振片(8)、第一柱透镜(10)、棱镜(11)、第二柱透镜(12)、闪耀光栅(13)、第三柱透镜(14)和CCD(15)；其中，第一柱透镜(10)、棱镜(11)、第二柱透镜(12)、闪耀光栅(13)、第三柱透镜(14)和CCD(15)组成测量系统(9)；溴钨灯光源(1)出射的白光经过准直系统(2)变为白光平行光，固体激光器(4)出射的光束与He-Ne激光器(5)出射的光束经过第二分束镜(6)后合为一束光，再由扩束系统(7)扩束后经过第一分束镜(3)，与白光平行光合为一束后经过偏振片(8)变为TM偏振光，之后经过第一柱透镜(10)后聚焦到镀有待测金属膜的棱镜(11)表面，产生一定的入射角范围，光束经过棱镜表面反射后经过第二柱透镜(12)还原为平行光，第二柱透镜(12)与第一柱透镜(10)焦距相等；从第二柱透镜(12)出射的光束入射到闪耀光栅(13)表面，光栅的刻线方向与偏振方向平行；光栅将不同波长的光以不同的衍射角在空间分开后经过第三柱透镜(14)聚焦，用CCD(15)在后焦面接收图像；最终由CCD(15)采集到一张反射光强的角度、波长依赖图像。

2.一种如权利要求1所述的一种基于金属薄膜SPR色散的图像化测量装置，其特征在于：将预先记录的无银膜时的色散图像作为背景扣除，并进行定标及归一化后得到角度—波长—光强反射率的SPR色散图像。

3.一种如权利要求1或2所述的一种基于金属薄膜SPR色散的图像化测量装置，其特征在于：该装置利用第一柱透镜(10)聚焦和闪耀光栅(13)分光，将角度和波长在空间以正交的方向分开，用CCD(15)探测反射光强，得到角度、波长依赖的SPR色散曲线。

4.一种如权利要求1或2所述的一种基于金属薄膜SPR色散的图像化测量装置，其特征在于：利用光栅方程及位置方程，获得波长坐标的绝对值及角度坐标的绝对值。

5.一种金属薄膜复介电系数色散在可见光光谱范围的一次性测量方法，该方法利用权利要求1或2所述的基于金属薄膜SPR色散的图像化测量装置，其特征在于：该方法具体步骤为：

步骤(1)、溴钨灯光源(1)出射的白光经过准直系统(2)变为平行光；

步骤(2)、固体激光器(4)出射的光束与He-Ne激光器(5)出射的光束经过第二分束镜(6)后合为一束光，再由扩束系统(7)扩束后经过第一分束镜(3)，与白光合为一束后经过偏振片(8)变为TM偏光，之后经过第一柱透镜(10)后聚焦到镀有待测金属膜的棱镜(11)表面，产生一定的入射角范围；

步骤(3)、光束经过棱镜表面反射后经过第二柱透镜(12)还原为平行光，第二柱透镜(12)与第一柱透镜(10)焦距相等；

步骤(4)、从第二柱透镜(12)出射的光束入射到闪耀光栅(13)表面，光栅的刻线方向与偏振方向平行；

步骤(5)、光栅将不同波长的光以不同的衍射角在空间分开后经过第三柱透镜(14)聚焦，用CCD(15)在后焦面接收图像；

6.一种如权利要求5所述的金属薄膜复介电系数色散在可见光光谱范围的一次性测量方法，其特征在于：将色散曲线中的波长逐一提取出来，得到不同波长下的ATR曲线。

7.一种如权利要求5或6所述的金属薄膜复介电系数色散在可见光光谱范围的一次性测量方法，其特征在于：从ATR曲线中提取共振角及反射率的最小值，由波矢匹配关系及共振角计算金属复介电系数的实部。

8.一种如权利要求5或6所述的金属薄膜复介电系数色散在可见光光谱范围的一次性测量方法，其特征在于：利用金属复介电系数的实部，虚部，反射率的最小值及膜厚度之间的函数关系求解得出金属薄膜复介电系数的虚部。