表面等离子体共振实验

表面等离子体共振实验

姚付强 [1**********]46 应用物理学12（2）班

实验目的：

1. 了解全反射中消逝波的概念。

2. 观察表面等离子体共振现象，研究共振角随液体折射率的变化关系。 3. 进一步熟悉和了解分光计的调节和使用。

实验原理：

当光线从光密介质照射到光疏介质，在入射角大于某个特定的角度（临界角）时，会发生全反射现象。但在全反射条件下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逝波。若光疏介质很纯净，不存在对消逝波的吸收或散射，则全反射的光强并不会衰减。反之，若光疏介质中存在能与消逝波产生作用的物质时，全反射光的强度将会被衰减，这种现象称为衰减全反射。

如果在这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消逝波的P偏振分量将会进入金属薄膜，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。表面等离子体共振原理如图所示。

对于某一特定入射角，消逝波平行于金属(电介质)界面的分量与表面等离子体波的波矢（或频率）完全相等，两种电磁波模式会强烈地耦合，消逝波在金属膜中透过并在金属膜与待测物质界面处发生等离子体共振，导致这部分入射光的能量被表面等离子体波吸收，能量发生转移，反射光强度显著降低，这种现象被称为表面等离子体波共振。

当发生共振时，表面等离子体共振角与液体折射率的关系由以下公式表示

Ren

n0sin(sp)2

Re1n2

其中

212

sp

为共振角，

n0 为棱镜折射率，n2 为待测液体折射率，Re1 为金属介电

常数的实部。

实验仪器

表面等离子体共振实验仪器装置如图所示。主要由分光计、激励光源、偏振片、硅

光电池、光功率计、半圆柱棱镜（内充液体介质）。

实验内容

1. 调整分光计

2. SPR传感器中心调整 3. 测量某一液体的共振角

数据处理

最大光强为126

结果讨论

73由图中曲线可知相对光强的最低点所对应的入射角为 ，因此共振角就是73 ，再根据

公式可以得出该液体的折射率。说实话，我们不应该就认为图中曲线相对光强的最低点所对

应的入射角就是共振角，但是我们组所测得的数据比较少，而且画出来的曲线也不好看，真实的曲线应该是二次曲线的样子， 这样得到的液体折射率跟真实的液体折射率之间误差就可能很大。从如图所示的参考曲线中，我也可以大致得出液体的共振角在71 —72 之间，

虽然与我们得到的共振角差距比较小，但误差总会有。如果我们测得的数据更加的多，在共振角附近的入射角取值间隔为0.1度，并且舍弃误差较大的数据，我相信我们可以得到更加接近真实数据的曲线。

表面等离子体共振实验

姚付强 [1**********]46 应用物理学12（2）班

实验目的：

1. 了解全反射中消逝波的概念。

2. 观察表面等离子体共振现象，研究共振角随液体折射率的变化关系。 3. 进一步熟悉和了解分光计的调节和使用。

实验原理：

当光线从光密介质照射到光疏介质，在入射角大于某个特定的角度（临界角）时，会发生全反射现象。但在全反射条件下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逝波。若光疏介质很纯净，不存在对消逝波的吸收或散射，则全反射的光强并不会衰减。反之，若光疏介质中存在能与消逝波产生作用的物质时，全反射光的强度将会被衰减，这种现象称为衰减全反射。

如果在这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消逝波的P偏振分量将会进入金属薄膜，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。表面等离子体共振原理如图所示。

对于某一特定入射角，消逝波平行于金属(电介质)界面的分量与表面等离子体波的波矢（或频率）完全相等，两种电磁波模式会强烈地耦合，消逝波在金属膜中透过并在金属膜与待测物质界面处发生等离子体共振，导致这部分入射光的能量被表面等离子体波吸收，能量发生转移，反射光强度显著降低，这种现象被称为表面等离子体波共振。

当发生共振时，表面等离子体共振角与液体折射率的关系由以下公式表示

Ren

n0sin(sp)2

Re1n2

其中

212

sp

为共振角，

n0 为棱镜折射率，n2 为待测液体折射率，Re1 为金属介电

常数的实部。

实验仪器

表面等离子体共振实验仪器装置如图所示。主要由分光计、激励光源、偏振片、硅

光电池、光功率计、半圆柱棱镜（内充液体介质）。

实验内容

1. 调整分光计

2. SPR传感器中心调整 3. 测量某一液体的共振角

数据处理

最大光强为126

结果讨论

73由图中曲线可知相对光强的最低点所对应的入射角为 ，因此共振角就是73 ，再根据

公式可以得出该液体的折射率。说实话，我们不应该就认为图中曲线相对光强的最低点所对

应的入射角就是共振角，但是我们组所测得的数据比较少，而且画出来的曲线也不好看，真实的曲线应该是二次曲线的样子， 这样得到的液体折射率跟真实的液体折射率之间误差就可能很大。从如图所示的参考曲线中，我也可以大致得出液体的共振角在71 —72 之间，

虽然与我们得到的共振角差距比较小，但误差总会有。如果我们测得的数据更加的多，在共振角附近的入射角取值间隔为0.1度，并且舍弃误差较大的数据，我相信我们可以得到更加接近真实数据的曲线。