第11讲_SPP的激发与表征

2014/2/261第11讲:等离子体(III)——SPP的激发与表征课本:S.Maier,Plasmonics:FundamentalsandApplications,Chap.3&4董国艳中国科学院大学材料科学与光电技术学院纳米光学(Nano-Optics)研究生课程2回想前面的课程:可以通过光照射平的金属表面激发SPP吗？由于SPP位于金属表面，我们怎么能观察或检测呢？2014/2/262本讲内容1.SPP激发−−−−−−2.SPP的表征−−−−3棱镜耦合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:kxinc=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=6.63×10-34J·s2014/2/2635kxincdsindintersection:交叉grazingincidence：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:βorkxspLightlineforθ90ºcLightlinefor掠入射(θ=90º)kinccSPP色散总位于lightline的底部!(约束模)没有交集的色散曲线→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kxinc与βSPP匹配。sincsinincxincdkk6全反射中的倏逝波22022exp[()]itxzEEikxkze212121222222xxzkknnkkk122121122121212sinsininnkikknn12211221sinsin2sinsiniiiikcci1i’1i2n1n2k1k’1k2xz由边界条件，折射波的表达式122czziikki当，发生全内反射，为纯虚数，令n1n22202202exp[()]exp[()]zxEEikrtEeikxt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。2014/2/2647•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能量匹配当kSPP=kx,2强烈的耦合sp,1sp,2动量匹配SPPεd1εmkx,2k2SPPmetal-airSPPmetal-prismkx,2kSPPβorkxkSPPtotalinternalreflection:全内反射，tunnel:隧穿d2d111=sinxdkc，22=sinxdkc，87•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surfaceplasmonresonance:表面等离子体共振，leakage:泄漏，destructive:相消的2014/2/2659两个耦合结构:airmetalprismprismairmetalKretschmann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nd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2014/2/26611TheProteomicProcessorofLumera(Bothell,WA,USA)SPRi-PlexandSPRi-Lab+systemofGenOptics(Orsay,France)商业SPR器件:SPRisystemofK-MAC(Daejeon,Korea)12(2)通过高度集中的光束激发BouhelierandWiederrecht,OL30,884(2005)•是一种棱镜耦合的变化–高数值孔径的油浸物镜代替棱镜•离轴入口的光束→θsppθc时激发•高度聚焦的光束→使局域SPP激发•泄漏辐射→观测激发的SPPoil-immersionobjective:油浸物镜，numericaperture:数值孔径，off-axis:离轴2014/2/26713LBKfilm:功能分子转移膜•Langmuir-Blodget-Kuhn（LBK）功能分子转移薄膜厚度测量H.KanoandW.Knoll,Opt.Commun.153,235(1998)•原理：薄膜厚度的变化→改变有效εd→SPR的移位•耦合角度强烈依赖于LBK薄膜膜厚度•测量结果：3.5nm，7.3nm，11.15nm的LBK厚度，•几层LBK的检测是可行的！应用实例：超薄膜厚度测量14(3)光栅耦合•光栅可以产生多个衍射级（传播和消逝波）。−1storder0thorder+1storderIncidentlight−2ndorderd•第m级波矢满足:km,xkinc,xmK•由于kSPPkinc,只有倏逝级可能与SPP相位匹配:kSPPkm,xkinc,xmK用此方法,SPPs可以被激发!grating:光栅，evanescent:倏逝的dK2(根据光栅公式)2014/2/26815βorkxkSPPkinc,xk+1,xKSPP理解色散图中的光栅耦合:似乎只有正级可以激发SPPs？0,,sinxincxdkkckSPPkm,xkinc,xmK——No！事实是正、负级都可以激发！16更多关于色散图:βorkxSPPβorkxk发生了什么?第一布里渊区(最小|k|“原胞”)(根据对称性化简)周期条件km,xkinc,xmKLightlineK色散被K等价“折叠”βorkx简约布里渊区fold:折叠，Brillouinzone:布里渊区，irriducible:不可约的红色和蓝色的曲线之间的交叉点表示的耦合！0,sinxdkc2014/2/26917Devauxetal.,APL83,4936(2003)SPPexcitation近场光学成像(λ=800nm)reverse:相反的，decouple:解耦合相反的过程也可以发生：SPP沿光栅表面传播也可以耦合成光从而产生辐射。实验：用右侧光栅激发表面等离子体激元，被左侧大光栅解耦合(d=760nm)18Egorovetal.,PRB70,033404(2004).通过二维光栅的不同级SPPs的激发和发光2014/2/261019SPP光子带隙结构:•当光栅很深→不再对表面产生小扰动•发生SPP色散的显著变化•当d~λSPP/2：散射导致形成SPP行波→在布里渊区边缘形成SPP禁带Barnesetal.,Nature424,824(2003).类似于光子晶体,被称为“表面极化晶体”ZayatsandSmolyaninov,J.Opt.A:PureAppl.Opt.5,S16(2003).bandgap:带隙，perturbation:扰动，formation:形成，standingwave:驻波，stopband:禁带20hexagonal:六角形的2014/2/261121Smolyaninov,PRL77,3877(1996)scattering:散射，random:随机的，spatial:空间的，Fouriertransform:傅立叶变换，defect:缺陷•随机结构，如单孔，尖锐的边缘，颗粒和缺陷可以在局部激发SPP•发生在缺陷尺寸aλ0，为什么？（作业）•散射产生波矢为K的宽光谱（源自缺陷的空间傅立叶变换），可以找到耦合条件kSPP=kinc,x+K的解。(提示：缺陷的外形函数看做a的矩形函数)。•也意味着表面缺陷是一种SPP传播的有损渠道！(4)散射激发22等离子体波主要是纵向!Ditlbacheretal.,APL80,404(2002).dλ0相位匹配:kSPP=kinc,x+K电磁波两极辐射⊥振荡方向•在电荷振荡方向的两极辐射!?为什么？2014/2/261223尖锐的边缘散射•辐射模式更具有方向性•如果照在一条银线上→辐射方向⊥银线Ditlbacheretal.,APL80,404(2002).•模式的分布源自两个偶极子激发的SPP干涉illumination:照明，interference:干涉，pattern:图案源自双颗粒的散射24(5)近场激发探针孔径kβk0满足相位匹配条件E银膜Hechtetal.,PRL77,1889(1996).两套光学测量设备probe:探针，aperture:孔径，roughness:粗糙度，resolution:分辨率•适合局域SPP激发•可以作为纳米级SPP点源•用于表征SPP上的表面粗糙度效应和具有高空间分辨率的单个表面缺陷的散射aλ0aλsppλ02014/2/261325Maieretal.,APL84,3990(2004).波导耦合Homola,Chem.Rev.108,462(2008).激光二极管端射耦合Kimetal.,Opt.Express18,10609(2010).(6)其他的耦合方案这些都或多或少有些相对以前耦合技术的变化:75%couplingefficiencyscheme:方案，variation:变化，taper:逐渐变窄的物体，end-firecoupling:端面耦合光纤锥体耦合26纳米缝耦合López-Tejeiraetal.,NewJ.Phys.10,033035(2008).slit:缝2014/2/261427•近场显微镜•漏辐射显微镜•荧光成像•散射光成像常用方法microscopy:显微术，fluorescence:荧光3.SPP的表征怎样观察和测量SPP?28(1)近场显微镜•SPP波通过棱镜耦合产生的•通过扫描近场光学显微镜（SNOM）进行SPP波成像•将探针尖端插入“近场”•近场光学是必不可少的！更多关于近场光学和SNOM系统将在后面讲到研究。ScanningNear-fieldOpticalMicroscope(SNOM):扫描近场光学显微镜2014/2/261529fringe:条纹302014/2/26163132(2)泄漏辐射显微镜Furtherreading:Drezetetal.,MaterialsScienceandEngineeringB149,220(2008).leakage:泄漏，radiation:辐射泄漏辐射透射泄漏辐射反射2014/2/26173334(3)荧光成像Ditlbacheretal.,APL80,404(2002).fluorescence:荧光，organic:有机的，vicinity:附近，bleaching:漂白，quantitative:定量的•依赖放置在承载SPP的金属表面附近有机分子的荧光•由于分子漂白荧光图像必须在一个有限的时间（通常是几秒钟）内被记录下来•荧光强度一般不正比于局域SPP场强→不适合定量测量2014/2/261835(4)散射光成像•可用于映射调制表面的色散关系和SPP带隙。DepineandLedesma,Opt.Lett.29,2216(2004).TMTEroughness:粗糙，modulate:调制•SPP传播是通过收集金属表面散射辐射的光损失成像。•表面