專利名稱：實現(xiàn)寬帶光譜表面等離子體共振的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及表面等離子體共振技術(shù)，具體涉及一種能夠同時產(chǎn)生寬帶光譜 表面等離子體共振的技術(shù)。
背景技術(shù)：
表面等離子體是一種存在于介電常數(shù)的實數(shù)部分分別為正和負(fù)的兩種介 質(zhì)的分界面上的衰逝電磁波，可以由光來激發(fā)，并且與激發(fā)它的光具有相同的 頻率，即產(chǎn)生共振。這種由光激發(fā)表面等離子的方法叫做表面等離子體共振。 表面等離子體共振具有近場增強的效應(yīng)，即金屬與電介質(zhì)界面附近的電磁場可 以因為表面等離子體共振而比入射電磁場強很多。這種近場增強的效應(yīng)使得表 面等離子體共振具有很多重要的應(yīng)用。首先表現(xiàn)在提高探測器的靈敏度和提高 非線性光學(xué)效應(yīng)的效率方面。應(yīng)用表面等離子體共振效應(yīng)制成的探測器具有靈 敏度高、響應(yīng)迅速、無需標(biāo)記等優(yōu)點，探測器表面的細(xì)微變化都可以很容易的 被探測到。這種探測器已經(jīng)被成功的用來提供分子識別以及探測分子的動力學(xué)
過程，例如探測蛋白質(zhì)一蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)一DNA、新藥分子一疾病靶等生物分 子的結(jié)合或者解離等動力學(xué)過程。其次表現(xiàn)在制造高靈敏高分辨(分辨率可以 達到10—6折射率單位以下)的表面等離子體共振折射儀方面。表面等離子體共 振技術(shù)還可以被用來提高拉曼光譜、紅外光譜等信號強度和靈敏度。很多方面 的應(yīng)用都已經(jīng)商用化，例如商用的表面等離子體共振分析儀(分子相互作用分 析儀)、表面等離子體共振折射儀、表面等離子體共振增強拉曼光譜儀、表面 等離子體共振增強紅外光譜儀等。此外，表面等離子體共振效應(yīng)也促進了顯微 技術(shù)的發(fā)展，基于表面等離子體共振增強效應(yīng)的遠(yuǎn)場顯微鏡、遠(yuǎn)場掃描顯微鏡、 以及近場掃描顯微鏡豐富了顯微鏡的種類，并且具有高靈敏度、高空間分辨率 的特點。另外，在科研領(lǐng)域表面等離子體共振技術(shù)也經(jīng)常被用來提供近場增強 效應(yīng)，從而提高多種光學(xué)效應(yīng)效率，例如，表面等離子體共振增強的二次諧波產(chǎn)生、表面等離子體共振增強的雙光子吸收、表面等離子體共振增強的熒光產(chǎn) 生等。上面列舉了表面等離子體共振技術(shù)的部分應(yīng)用，已經(jīng)足以表明表面等離 子體共振技術(shù)的應(yīng)用有多么廣泛。所以表面等離子體共振技術(shù)的改進，例如本 發(fā)明中所述的技術(shù)，可以導(dǎo)致很多基于表面等離子體共振技術(shù)的革新。
表面等離子體可以通過光激發(fā)產(chǎn)生。因為表面等離子體的波矢量比同頻率 的光波矢量大，所以它不能夠被光直接激發(fā)，而需要有一種方法來提高光的波 矢量，常用的方法是采用棱鏡來滿足匹配條件。為了達到利用光來激發(fā)表面等
離子體的目的，可以采用兩種結(jié)構(gòu)，分別為Kretschmann (如圖la)結(jié)構(gòu)和 Otto (如圖lb)結(jié)構(gòu)，圖中的C1表示棱鏡，C2表示金屬膜，C3為電介質(zhì)環(huán) 境，比如空氣或者液體環(huán)境等。在Kretschmann結(jié)構(gòu)中， 一層幾十納米量級 厚度的金屬膜附著在棱鏡上，只有p偏振(光的電場振動方向與光的入射面平 行)的激發(fā)光以合適的角度入射時才能在金屬和電介質(zhì)的界面上激發(fā)出表面等 離子體，而s偏振(光的電場振動方向與光的入射面垂直)的光卻不能激發(fā)出 表面等離子體。Otto結(jié)構(gòu)中金屬層和棱鏡不接觸，間隔為幾十納米量級，因為 Otto結(jié)構(gòu)的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有Kretschmann結(jié)構(gòu)廣泛，在此不詳述，但是本專利 描述的方法既適用于Kretschmann結(jié)構(gòu)也適用于Otto結(jié)構(gòu)。表面等離子體可 以存在于圖1所示的物質(zhì)C2和C3的交界面上，表面等離子體的波矢量為
這里Sm和Sd分別為金屬C2和測試環(huán)境C3的介電常數(shù)，"為激發(fā)光的頻 率，c為真空中的光速。
棱鏡中光波矢量在C1C2界面方向上的分量為
這里，n為棱鏡Cl的折射率。當(dāng)光的波矢量在表面等離子體傳播方向上 的分量與表面等離子體的波矢量匹配，即
只有當(dāng)公式3滿足的時候，才能產(chǎn)生表面等離子體共振。此時，入射光在 棱鏡中的入射角為
(公式1)
(公式2)
(公式3)=arcsin
(公式4)
、"\K, +~ .
所以當(dāng)某一頻率的激發(fā)光以不同的入射角入射時，在某一個特殊的角度
espi_ (公式4對應(yīng)的角度)能夠激發(fā)表面等離子體共振，其他的角度則不能。
由于材料的色散，對于不同的波長l， n、 em和a的值都是不同，這導(dǎo)致了不
同的波長的等離子共振角度e^都不相同。所以對于一個特定的表面等離子體
共振系統(tǒng)，如果入射光具有不同的波長(或者頻率)， 一般只有某一波長Xo 能夠嚴(yán)格滿足表面等離子體共振的條件(即公式3)，其他波長的都不能夠嚴(yán) 格滿足共振條件，并且一般來說與^o差別越大的波長的失配情況越嚴(yán)重。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的表面等離子體共振技術(shù)中共振線寬過窄的不 足之處，提供一種實現(xiàn)寬帶光譜表面等離子體共振的方法，該方法采用了預(yù)先 補償技術(shù)，在保證中心波長滿足表面等離子體共振角度的情況下，使不同的波 長以不同的角度入射，從而使得寬帶光譜各波長同時(或者最大限度的)滿足 表面等離子體共振的角度要求。
本發(fā)明目的實現(xiàn)由以下技術(shù)方案完成
一種實現(xiàn)寬帶光譜表面等離子體共振的方法，其特征在于該方法是通過預(yù) 先補償寬帶光譜中不同頻率的光線的入射角實現(xiàn)寬光譜表面等離子體共振的， 所述方法如下首先寬帶光譜光線進入空間色散系統(tǒng)后，不同波長的光線以不 同的空間位置從所述空間色散系統(tǒng)中出射，之后進入附加光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)針 對進入的光線，調(diào)節(jié)其光路并提供合適的匹配角度，使通過附加光學(xué)系統(tǒng)的不 同波長的光線以不同的入射角入射到表面等離子體共振系統(tǒng)中，即使不同波長 的光線能夠同時滿足表面等離子體共振的條件，從而產(chǎn)生寬帶光譜表面等離子
體共振o
所述的空間色散系統(tǒng)中采用棱鏡、或是光柵、或是前述元件的組合作為色 散元件，以便能夠在空間位置上分離不同頻率的光線。
所述的附加光學(xué)系統(tǒng)中至少包含透鏡、或者是平面或凹面反射鏡，以調(diào)節(jié)不同頻率的光線的入射角。
本發(fā)明與傳統(tǒng)的無預(yù)先補償?shù)谋砻娴入x子體共振技術(shù)相比較，其主要的優(yōu) 點是匹配帶寬比較寬，這使得對入射光的單色性的要求沒有原來苛刻，在表面 等離子體共振的激發(fā)光源為譜線比較寬的光源(比如各種燈、發(fā)光二極管等) 的時候，通常需要采用單色儀選擇某一波長，而且為了增加單色性單色儀的狹 縫關(guān)的比較窄，這大大降低了光強，采用寬帶光譜表面等離子體共振的技術(shù)后， 因為可以采用寬帶的光源激發(fā)表面等離子體共振，使得單色儀的狹縫不需要關(guān) 的很窄從而增加了激發(fā)光的光強，相應(yīng)的由光強所限制的探測器的探測頻率也 可以變高，所以寬帶光譜表面等離子體共振的探測系統(tǒng)可以具有更高的探測速 度和更高的信噪比。此外，超快超短激光脈沖技術(shù)的發(fā)展使得采用超短激光脈 沖作為光源來激發(fā)表面等離子體稱為可能。超短脈沖雖然在時間上很短，但是 它的光譜卻比較寬。如果不采用寬帶光譜表面等離子體共振的技術(shù)，是不可能 使得超短脈沖中的所有光譜都同時激發(fā)表面等離子體共振的。而且為了補償超 短脈沖展寬的現(xiàn)象，本系統(tǒng)也可以適當(dāng)?shù)臄U充從而包含群色散補償功能。


附圖la光線通過棱鏡耦合激發(fā)表面等離子體的Kretschmann結(jié)構(gòu)示意 附圖lb光線通過棱鏡耦合激發(fā)表面等離子體的Otto結(jié)構(gòu)示意附圖2a為圖la所示裝置的反射光強與入射角0關(guān)系附圖2b為圖la所示裝置的反射光強與入射角0關(guān)系附圖3為本發(fā)明寬帶光譜表面等離子體共振的技術(shù)的光路結(jié)構(gòu)示意附圖4為實施例1采用棱鏡作為空間色散系統(tǒng)的寬帶光譜表面等離子體共
振系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)示意附圖5(a)為實施例1的Cl為LITHOTEC-CAF2玻璃棱鏡的結(jié)果示意附圖5(b)為實施例1的Cl為N-BK7玻璃棱鏡的結(jié)果示意附圖5(c)為實施例1的Cl為N-SF66玻璃棱鏡的結(jié)果示意附圖6為實施例2采用光柵作為空間色散系統(tǒng)的寬帶光譜表面等離子體共
振系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)示意附圖7(a)為實施例2的Cl為LITHOTEC-CAF2玻璃棱鏡的結(jié)果示意6附圖7(b)為實施例2的Cl為N-BK7玻璃棱鏡的結(jié)果示意附圖7(c)為實施例2的Cl為N-SF66玻璃棱鏡的結(jié)果示意附圖8為實施例3采用光柵對作為空間色散系統(tǒng)的寬帶光譜表面等離子體
共振系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)示意附圖9(a)為實施例3的角度補償結(jié)果示意附圖9(b)為實施例3的群色散補償結(jié)果示意附圖10為來用棱鏡對作為空間色散系統(tǒng)的寬帶光譜表面等離子體共振系 統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)示意圖；
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖通過實施例對本發(fā)明特征及其它相關(guān)特征作進一步詳細(xì)說 明，以便于同行業(yè)技術(shù)人員的理解
本實施例的方法是在通過特定的空間色散系統(tǒng)預(yù)先補償寬帶光譜中不同 波長的入射角度，使不同的波長都能(或者盡可能)滿足表面等離子體共振的 條件。這個特定的空間色散系統(tǒng)與表面等離子體共振系統(tǒng)組成了一套寬帶光譜 表面等離子體共振系統(tǒng)。
圖中標(biāo)號分別表示棱鏡C1、金屬C2、 C3為真空、空間色散系統(tǒng)A(可 以為棱鏡、光柵等色散元件或者它們的組合)、附加光學(xué)系統(tǒng)B (用來調(diào)節(jié)光 路，或者提供合適的角度匹配)、表面等離子體共振系統(tǒng)C。
通常采用棱鏡匹配用光來激發(fā)表面等離子體。如圖la的光路圖所示，當(dāng) 一束p偏振的光以入射角e入射到棱鏡和金屬薄膜的界面上的時候，反射光的
強度隨著入射角e的改變而改變。我們將描述反射光強與入射角e關(guān)系的曲線 稱為表面等離子體共振曲線。入射角e大于臨界角并且反射光強衰減嚴(yán)重的情
況表明產(chǎn)生了表面等離子體共振。由公式1可知，金屬薄膜C2以及相鄰的材 料C3的色散導(dǎo)致了表面等離子體共振也存在色散。例如當(dāng)金屬C2材料為 50nm厚的金膜,棱鏡Cl為最常用的N-BK7玻璃的時候，6種不同波長的光 線入射到圖la所示裝置后，反射光強與入射角e被表示在圖2a中。圖2a中 的6條曲線按0從大到小的方向?qū)?yīng)的光波長分別為600、 650、 700、 750、 800、 850、 900nm。由公式4可知，表面等離子體共振角度e^也與棱鏡Cl
的折射率有關(guān)，所以可以選擇適當(dāng)折射率色散的棱鏡來降低寬帶光譜的6spr失配效應(yīng)。但不幸的是，棱鏡的色散相對于表面等離子體共振來說一般比較小，
通常并不足以補償寬帶光譜的e^失配。圖2b表示了棱鏡ci為色散較大的
N-SF66玻璃的表面等離子體共振曲線，6條曲線的波長與圖2a中相同。600 和900nm光的表面等離子體共振角度e^差別對于N-BK7玻璃為2.24度，但 是對于N-SF66玻璃減小為1.06度。所以通過棱鏡本身的折射率色散來補償表 面等離子體共振的色散是最簡單的一種情況，可以在一定程度上減小等離子體 共振色散引起的匹配角度失配問題，這可以通過選擇恰當(dāng)色散的棱鏡來實現(xiàn)。 但是由于棱鏡的折射率色散通常并不足以補償寬帶光譜的表面等離子體共振 色散，我們提出了采用預(yù)先補償?shù)霓k法。
釆用預(yù)先補償?shù)姆椒▽崿F(xiàn)寬帶光譜的表面等離子體共振，其激發(fā)結(jié)構(gòu)以及 光路如圖3所示。
圖3中標(biāo)號以及實驗裝置介紹如下
為了方便描述寬帶光譜表面等離子體共振系統(tǒng)，我們將此系統(tǒng)劃分為三部
分
A部分為空間色散系統(tǒng)；可以為棱鏡Al、光柵A2、或者它們的組合(光 柵對G1-G2、棱鏡對Prl-Pr2等)、或者是提供色散的系統(tǒng)(例如單色儀A3)， 甚至簡單的非正交入射的厚玻璃板A4都有可能，目的是使得不同頻率的光線 位于不同的空間位置；
B為附加光學(xué)系統(tǒng)，用來調(diào)節(jié)光路，或者提供合適的角度匹配。例如透鏡 (Bl)、高反射鏡片(B2)等；
C為表面等離子體共振系統(tǒng)。Cl為棱鏡；C2為金屬薄膜；C3為電介質(zhì) 環(huán)境(比如，真空、空氣、或者液體環(huán)境等)；
1為進入空間色散系統(tǒng)前的寬帶光譜光線；
2為從空間色散系統(tǒng)中出射的任一單色光線，假設(shè)它的中心波長為^，比 ^短的任一波長為、，比^長的任一波長為12; 3為入射到表面等離子體共振系統(tǒng)的光線； 4為從表面等離子體激發(fā)系統(tǒng)出射的光線； P為不同波長的光線2的(等效)出發(fā)點； S為任一波長的出射光線2相對于入射光線1改變的角度；
8O位于Cl和C2的界面上，并且不同波長的光線3激發(fā)表面等離子體的
點；
0為任一波長的光線3在棱鏡中照射到Cl和C2的界面上的入射角；
L,為P與B系統(tǒng)之間的距離；
U為B系統(tǒng)與O點之間的距離；
寬帶光譜光線1在進入空間色散系統(tǒng)A后，不同波長的光線以不同的空間 位置從系統(tǒng)A中出射。之后進入附加光學(xué)系統(tǒng)B，系統(tǒng)B可以由透鏡(Bl)、 高反射鏡片(B2)等構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)光路和提供合適的匹配角度?？臻g色散 之后的不同波長的光線3以不同的入射角9入射到表面等離子體共振系統(tǒng)C 中，以達到產(chǎn)生寬帶表面等離子體共振的目的。假設(shè)從系統(tǒng)B中出射光線2
的中心波長的^的偏轉(zhuǎn)角度為&，其他波長的光線a,和X2)相對于波長為"
的出射光線2的偏離角度為AS。波長為Xo的光線在系統(tǒng)C中的入射角為e。， 其他波長的光線(Jw和X2)相對于波長為Xo的入射光線3的偏離角度為A9。 當(dāng)AS和都很小的時候，A3L產(chǎn)A0L2，即A9= WL2AS0如果定義M= 1VL2， 則A9= MAS。所以可以通過改變L,和L2比值來調(diào)節(jié)系統(tǒng)A的空間色散的倍 數(shù)，來預(yù)先補償寬光譜表面等離子體共振的角度要求，使寬帶光譜的任一波長 的光線的入射角度與此波長的表面等離子體共振的差別都比較小。同樣，在表 面等離子體共振的某些應(yīng)用中(例如基于探測反射光強的變化的應(yīng)用)，為了 增加系統(tǒng)的靈敏度，任一波長的光線的入射角并不是采用表面等離子體共振對 應(yīng)的角度，而是采用反射光強為入射光強一半左右對應(yīng)的角度(例如，圖2(a) 中600nm的光線的入射角不采用44.6。，而采用43.94。左右的角度)，同樣也 可以采用此預(yù)先補償?shù)姆椒ㄊ箤拵Ч庾V任一波長的光線的入射角都位于一半 反射光強的角度附近。 實施例
在下述實施例中假設(shè)入射光1的光譜范圍為700-卯0iim，選擇800nm為
中心波長(這個光譜對應(yīng)摻鈦藍(lán)寶石飛秒激光器的發(fā)射波長)。產(chǎn)生表面等離 子體共振的介質(zhì)分別為C3為真空，C2為50nm厚的金膜(選擇以金為例是 因為金非常穩(wěn)定，不易氧化和發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。其他金屬，如鋁、銀、鉬等，只 要介電常數(shù)的實數(shù)部分為負(fù)就可以)。實際操作中，納米量級厚度的金屬膜的
9有效電介質(zhì)常數(shù)可能因為具體制備條件的不同而不同。我們采用Drude公式來 描述金的電介質(zhì)常數(shù)
這里，￡為金的電介質(zhì)常數(shù)，角頻率(0=27T/X， f無限高頻率的背景，Qp2
為金的等離子頻率，ro為衰減參數(shù)。擬合600-900nm內(nèi)的實驗測量數(shù)據(jù)得出 ￡°°=9.75， QD=2164.5THz， r0=23.08THz。
本方案采用的方法是，圖3中的空間色散系統(tǒng)A采用棱鏡，附加光學(xué)系統(tǒng) B為一聚焦透鏡，實驗光路圖如圖4所示。 圖4中的實驗裝置介紹如下 系統(tǒng)A為棱鏡A1， Al的頂角為卩； 系統(tǒng)B為透鏡B1，焦距為f;
系鉢r *豐而禁寧7<孟北竭玄添 ri ^半灶fl^.檢瞎.「, *^、蒲瞄.
為真空；
入射光l，光譜范圍為700-900nm，選擇800nm為中心波長，入射到Al 的入射角為a;
光線2為從A系統(tǒng)中出射的任一單色光線，假設(shè)它的中心波長為 Xo=800nm，比Xq短的任一波長為、，比^長的任一波長為12; 光線3為入射到C系統(tǒng)的光線； 光線4為從C系統(tǒng)出射的光線；
P為不同波長的光線2反向延伸相交的等效出發(fā)點；
S為任一波長的出射光線2相對于入射光線1改變的角度；
O位于Cl和C2的界面上，并且為光線3激發(fā)表面等離子體的點；
e為任一波長的光線3在棱鏡中照射到Cl和C2的界面上的入射角；
Li為P與透鏡Bl之間的距離； L2為透鏡Bl與O點之間的距離；
本方案中采用光譜范圍為700-卯0nm的入射光1作為光源。光束通過棱鏡 Al構(gòu)成的空間色散系統(tǒng)后，不同波長的光線以不同的偏轉(zhuǎn)角度3出射。為了 減小棱鏡A1對光的反射損耗，最好采取布儒斯特(brewster)角切割的棱鏡，
(公式5)
實施例l:并且光線1進入棱鏡Al的入射角<x為入射光線中心波長Io的布儒斯特角。經(jīng) 過簡單計算可知，不同波長的入射光線偏轉(zhuǎn)的角度為
n(X)為棱鏡材料對于不同波長的折射率，玻璃材料的ii可以用斯邁爾
B,， B2， B3， d， C2， C3為描述玻璃材料的參數(shù)，不同玻璃的具體數(shù)值可以從玻璃 制造商Schott提供的材料參數(shù)中査到。
空間色散之后的不同波長的光線2可以看作是從虛擬的P點發(fā)出，選擇合 適焦距的透鏡Bl并且調(diào)整L,的距離，使P點成像在表面等離子體共振系統(tǒng)C 中的O點。為了減小透鏡Bl色差引起的焦點的變化，Bl可以采用消色差的 透鏡，或者是鍍有寬帶高反射膜的各種凹面鏡(球面、非球面、或者拋物面等)。 假設(shè)凹面鏡的焦距為f，因為采用了反射結(jié)構(gòu)，避免了折射率色散對焦距的影 響。由薄透鏡公式
1/L,+l/Lfl/f (公式8)
可知IVL2= (Lrf)/f，即M=(Lrf)/f。不同波長的光線2在經(jīng)過B系統(tǒng)之后， 以不同的角度進入表面等離子體共振系統(tǒng)C。 C系統(tǒng)中采用柱面棱鏡耦合，使 得不同波長的光線3都是以近似0度入射角入射到棱鏡C1中，所以光線3在 空氣和棱鏡CI界面上的折射可以忽略。如果光線3不是以近似0度入射角入 射到棱鏡CI中，光線3在空氣和棱鏡CI界面上的折射也需要作為考慮因素。
采用圖4所示的結(jié)構(gòu)的寬帶光譜表面等離子體共振技術(shù)的效果被表述在圖 5中。采用N-SF66玻璃棱鏡A1預(yù)先補償表面等離子體共振角度，Al的頂角 P=55.65°，入射光1進入棱鏡Al的入射角為a= 62.17°。圖5表示了 CI為3 種不同的玻璃材料的情況，為了表述清楚，我們將偏轉(zhuǎn)角度P和表面等離子體 共振角度9，隨波長變化的相對變化都移動到0°附近，并且分別表示為AP和 A0spr。從圖4可知A0=MAp，則表面等離子共振角度與入射角度的差值為 Aespr-MA(3。圖5(a)表示Cl為LITHOTEC-CAF2玻璃，根據(jù)薄透鏡公式選擇 合適焦距f的透鏡Bl和長度使得M= 0.47。在LITHOTEC-CAF2玻璃棱
—sm W — sm(a)cosl
(公式6)
(公式7)鏡C1中，中心波長Xo-800nm的表面等離子體共振角度espr=45.60°。k產(chǎn)700nm 和X產(chǎn)卯Onm的e叩r分別為46.21°和45.28°。從圖5(a)可見，在補償之前整個 光譜的所需的表面等離子體共振角度與入射角度的差別為0.922°，但是在經(jīng)過 預(yù)先補償后差別減小為0.067°，僅僅為以前的7%。圖5(b)表示Cl為N-BK7 玻璃，根據(jù)薄透鏡公式選擇合適焦距f的透鏡Bl和長度L,使得M= 0.39。在 N-BK7玻璃棱鏡Cl中，中心波長Xo=800nm的表面等離子體共振角度 espr=42.57。。 X產(chǎn)700nm和X尸900nm的0^分別為43.08。和42.31°。從圖5(b) 可見，在補償之前整個光譜的所需的表面等離子體共振角度與入射角度的差別 為0.77。，但是在經(jīng)過預(yù)先補償后差別減小為0.06°，僅僅為以前的8V。。圖5(c) 表示Cl為N-SF66玻璃，根據(jù)薄透鏡公式選擇合適焦距f的透鏡Bl和長度 Lj使得M= 0.15。在N-SF66玻璃棱鏡Cl中，中心波長^=800nm的表面等離 子體共振角度espr= 32.65°。 X產(chǎn)700nm和k產(chǎn)卯Onm的9spr分別為32.87。和 32.56。。從圖5(c)可見，在補償之前整個光譜的所需的表面等離子體共振角度 與入射角度的差別為0.31°，但是在經(jīng)過預(yù)先補償后差別減小為0.04。，僅僅為 以前的13%。由圖5的示例可見，采用預(yù)先補償?shù)姆椒ㄊ沟谜麄€寬帶光譜基 本上都滿足表面等離子體共振的角度要求，實現(xiàn)了寬帶光譜表面等離子體共
振o
本實施例裝置的優(yōu)點是光強損耗比較小。表面等離子體共振要求入射光強 的偏振為p偏振，當(dāng)p偏振的光在以布儒斯特角通過棱鏡的時候，反射損耗幾 乎是可以忽略的，所以幾乎所有的光強都通過了角度預(yù)先補償裝置。本實施例 僅僅例舉了使用一個棱鏡的情況，當(dāng)然采用棱鏡的組合也是可以的。而且采用 棱鏡組合的時候，有可能通過仔細(xì)選擇棱鏡的各個參數(shù)來更好的提供角度預(yù)先 補償，達到更好的補償效果。 實施例2:
本實施例的原理依據(jù)圖3所示，但是空間色散系統(tǒng)A采用的是光柵A2， 具體的實驗光路圖如圖6所示。 圖6中的實驗裝置介紹如下
系統(tǒng)A為光柵A2，光柵常數(shù)為d (任意兩條刻痕之間的距離)；
系統(tǒng)B為透鏡B1，焦距為f;系統(tǒng)C為表面等離子體共振系統(tǒng)。Cl為半柱形棱鏡；C2為金薄膜；C3 為真空；
入射光1，光譜范圍為700-900nm，選擇800nm為中心波長，入射到A2 的入射角為a;
光線2為從A2系統(tǒng)中出射的任一單色光線，假設(shè)它的中心波長為 ^=800mn，比^短的任一波長為)w，比"長的任一波長為 光線3為入射到C系統(tǒng)的光線； 光線4為從C系統(tǒng)出射的光線；
點P為不同波長的光線1與光線2在光柵A2上的交點；
S為任一波長的出射光線2相對于光柵A2法線的衍射角；
O位于Cl和C2的界面上，并且為光線3激發(fā)表面等離子體的點；
e為任一波長的光線3在棱鏡中照射到Cl和C2的界面上的入射角；
為P與透鏡Bl之間的距離； L2為透鏡Bl與O點之間的距離；
本實施例與實施例1類似，但是空間色散系統(tǒng)A由光柵Al構(gòu)成。當(dāng)波長 為入的光線以入射角a照射到光柵常數(shù)為d的光柵上，并且以角度P衍射，根 據(jù)光柵公式
<formula>formula see original document page 13</formula> (公式9)
這里m為衍射級次。將公式9兩邊微分可以得到<formula>formula see original document page 13</formula> (公式io)
與棱鏡相比，光柵通常可以具有更高的分光能力。從公式9可知，光柵的 分光能力與光柵常數(shù)d有關(guān)，而且d可以人為設(shè)計，具有很大的自由度。為了 預(yù)先補償寬光譜表面等離子體共振的角度差別，通常并不需要光柵具有很大的 分光能力，所以在寬光譜表面等離子體共振系統(tǒng)中用到的光柵A2的光柵常數(shù) d不宜過小。作為示例，采用newport的目錄號碼為53人426R的光柵，光柵 的參數(shù)為d為l/150mm， 一階標(biāo)稱波長為800 nm，閃耀角度為3.4°。與實 施例1類似，我們將采用此光柵預(yù)先補償?shù)?，Cl采用LITHOTEC-CAF2、 N-BK7、 N-SF66玻璃半柱形棱鏡耦合的表面等離子體共振系統(tǒng)的色散曲線分(c)中。
采用圖6所示的結(jié)構(gòu)的寬帶光譜表面等離子體共振技術(shù)的效果被表述在圖 7中。釆用如前所述的光柵A2預(yù)先補償表面等離子體共振角度，入射光l照 到光柵A2的入射角為0。。圖7表示了C1為3種不同的玻璃材料的情況，為
了表述清楚，我們將衍射角度p和表面等離子體共振角度e^隨波長變化的相
對變化都移動到0。附近，并且分別表示為AP和A0spi_。從圖6可知Ae=-MAP， 則表面等離子共振角度與入射角度的差值為A6spr+MAP。圖7(a)表示Cl為 LITHOTEC-CAF2玻璃，根據(jù)薄透鏡公式選擇合適焦距f的透鏡Bl和長度 L使得M= 0.51 。在LITHOTEC-CAF2玻璃棱鏡Cl中，中心波長Xo=800nm 的表面等離子體共振角度0spr=45.6O°。 X尸700nm和X尸卯0nm的espr分別為 46.21°和45.28°。從圖7(a)可見，在補償之前整個光譜的所需的表面等離子體 共振角度與入射角度的差別為0.92。，但是在經(jīng)過預(yù)先補償后差別減小為0.16°， 僅僅為以前的17%。圖7(b)表示Cl為N-BK7玻璃，根據(jù)薄透鏡公式選擇合 適焦距f的透鏡Bl和長度L,使得M=0.42。在N-BK7玻璃棱鏡Cl中，中心 波長Xo=800nm的表面等離子體共振角度espr=42.57。。 X產(chǎn)700nm和、=900nm 的e^分別為43.08。和42.31°。從圖7(b)可見，在補償之前整個光譜的所需的 表面等離子體共振角度與入射角度的差別為0.77°，但是在經(jīng)過預(yù)先補償后差 別減小為0.15。，為以前的19%。圖7(c)表示Cl為N-SF66玻璃，根據(jù)薄透鏡 公式選擇合適焦距f的透鏡Bl和長度L,使得M= 0.17。在N-SF66玻璃棱鏡 Cl中，中心波長^=800nm的表面等離子體共振角度espr= 32.65°。 X尸700nm 和X2=900nm的e^分別為32.87°和32.56°。從圖7(c)可見，在補償之前整個光 譜的所需的表面等離子體共振角度與入射角度的差別為0.31°，但是在經(jīng)過預(yù) 先補償后差別減小為0.07°,為以前的23%。由圖7的示例可見，采用光柵預(yù) 先補償?shù)姆椒?，可使整個寬帶光譜滿足表面等離子體共振的角度差別明顯減 小，實現(xiàn)了寬帶光譜表面等離子體共振。
本裝置采用光柵來提供寬光譜表面等離子體共振的角度預(yù)先補償。但是從 公式9和10可知，當(dāng)d k的時候，偏轉(zhuǎn)角度的變化與波長的變化基本上是線 性關(guān)系。所以在表面等離子體的共振角度隨波長的變化近似為線性關(guān)系的時 候，用光柵可以達到比較好的補償效果。本實施例僅僅舉例了使用一個光柵的
14情況，當(dāng)然采用光柵的組合也是可以的。而且采用光柵組合的時候，有可能通 過仔細(xì)選擇光柵的各個參數(shù)來更好的提供角度預(yù)先補償，達到更好的補償效 果。
實施例3:
本實施例的原理依據(jù)圖3所示，但是空間色散系統(tǒng)A采用的是光柵對
Gl-G2，具體的實驗光路圖如圖8所示。 圖8中的實驗裝置介紹如下
系統(tǒng)A為光柵對G1和G2，光柵常數(shù)為d (任意兩條刻痕之間的距離)， 光柵對Gl與G2之間的距離為b; 系統(tǒng)B為透鏡B1，焦距為f;
系統(tǒng)C為表面等離子體共振系統(tǒng)。Cl為半徑為R的半柱形棱鏡；C2為 金薄膜；C3為真空；
入射光1，光譜范圍為700-900nm，選擇800nm為中心波長，從N點入 射到光柵G1，入射角為a;
光線2為從A2系統(tǒng)中出射的任一單色光線，假設(shè)它的中心波長為 )Kp800nm，比Io短的任一波長為)w，比^長的任一波長為入2;
光線3為入射到C系統(tǒng)的光線；光線4為從C系統(tǒng)出射的光線；
點Po， Pp P2為不同波長光線2與其傳播垂直方向上的交點；
O位于Cl和C2的界面上，并且為光線3激發(fā)表面等離子體的點； e為任一波長的光線3在棱鏡中照射到Cl和C2的界面上的入射角； 本實施例不僅可以提供實施例1和2類似的角度預(yù)先補償。而且可以提供 可調(diào)節(jié)的群延時補償(例如當(dāng)群延時調(diào)節(jié)采用光柵對實現(xiàn)，根據(jù)公式12可知， 可以通過調(diào)節(jié)光柵參數(shù)b，光柵對之間的距離d，以及光線的入射角度來調(diào)節(jié) 群延時)。當(dāng)采用的光源為超短脈沖，例如脈沖寬帶為飛秒量級的光源，超短 脈沖在介質(zhì)中傳播會因為介質(zhì)的色散而展寬。脈沖的展寬情況通常是由群速度 色散(GVD)或者更高階的色散決定的。群速度色散造成和群延遲色散(GDD)。 要想使系統(tǒng)對脈沖的展寬比較小，應(yīng)盡量使系統(tǒng)的GDD接近0。因為空間色 散與GVD通常具有一定的關(guān)系，所以可以通過適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)設(shè)計，使本寬光譜 表面等離子體共振系統(tǒng)能夠同時兼顧空間色散和GDD匹配的要求。群延時的控制是通過光柵對、棱鏡對、或者它們的組合實現(xiàn)的。群延時的控 制是通過控制使用器件的參數(shù)(光柵參數(shù)、棱鏡的折射率色散)、它們之間的相 對距離、以及光線的入射角實現(xiàn)的。
如圖8所示，光線1以入射角ot從N點照射到光柵Gl上，不同波長的光 線以不同的衍射角P離開光柵Gl并且照射到光柵G2上。光柵G2與Gl平行 放置，它們之間的垂直距離為b。在被光柵G2再次衍射之后，不同波長的光 線2以與入射光線1平行的方向出射。但是不同波長光線的橫向位置不同。由 圖8可知
NP(pb/cos(卩)sin(a+卩) (公式11)
當(dāng)波長由5^變?yōu)閊時，光線之間的橫向位移為NPrNPo,將它記做Ax， 則光線在通過焦距為f的透鏡聚焦后，在^Ax的情況下，光線與中心波長之 間的夾角為AS二Ax/f。此處的透鏡假設(shè)為薄透鏡，忽略由它造成的GDD。在 實際操作中可以根據(jù)實際采用的透鏡的厚度，并且通過調(diào)節(jié)光柵對Gl-G2來 補償它的GDD。光柵對的GDD可以表示為
3,
5cw
義,
2;rc—
D 、 八l2r 6 〕
、cos3/ (X)J
(公式12)
公式12中，Y為頻率為co,的相位變化。可見光柵對的GDDgr與光柵之間 的距離b成正比，并且數(shù)值為負(fù)值。不同波長的光線3進入匹配棱鏡后，傳播 距離R到達O點。光線3在玻璃中傳播距離R引起的GDD為
— 3義2
g'— 《'
(公式13)
光在玻璃中的GDDg,為正值，并且與傳播的距離成正比。所以可以用光柵對的 GDD^預(yù)先補償玻璃的GDDgl。
作為示例，光柵對采用與實施例2 —樣的光柵，光柵的參數(shù)為d為
1/150mm， 一階標(biāo)稱波長為800nm，閃耀角度為3.4°。 Cl采用N-BK7玻璃半
柱形棱鏡耦合的表面等離子體共振系統(tǒng)的角度補償和GDD補償?shù)那€分別表
示在圖9(a)和9 (b)中。實驗裝置采用的各個參數(shù)如下，光柵對間距b=42mm,
透鏡Bl焦距f400mm，耦合棱鏡Cl半徑R=20mm。取中心波長X。=800nm，
其他波長相對于中心的角度被表示在圖9(a)?？梢姴捎美忡R對補償之前表面等
離子體共振角度失配為0.74°，但是補償之后減小到0.14。，減小了81%。光在
光柵對和玻璃棱鏡中的GDD被表示在圖9(b)?？梢姽庠诠鈻艑χ械腉DD為
16負(fù)值，在玻璃中的GDD為正值。兩者相互抵消，在中心波長附近的GDD接 近于0。
本實施例例舉了使用光柵對預(yù)先補償寬光譜表面等離子體共振系統(tǒng)，使得 共振角度和群色散GDD同時獲得補償。預(yù)先補償?shù)难b置也可以采用棱鏡對來 組成，例如圖10所示的裝置，預(yù)先補償裝置A由圖9中的光柵對替換為圖10 中的棱鏡對。光柵的空間色散為近似的線性關(guān)系，采用棱鏡空間色散系統(tǒng)可以 期望獲得更好的角度預(yù)先補償效果。而且，本寬光譜表面等離子體共振系統(tǒng)可 以很方便的擴充來實現(xiàn)一些附加功能。因為所有實施例中不同波長的空間位置 不同，可以通過在光路中添加脈沖整形裝置(例如變形鏡，在圖10中用S表 示)來控制不同波長的相位和脈沖的形狀。從而達到用特殊脈沖波形激發(fā)表面 等離子體共振的目的。
本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然可以認(rèn)識到，本發(fā)明并不拘泥于某種特定的特定波長 的光，預(yù)先補償方法或者組合。我們提供了一種使寬帶光譜同時產(chǎn)生表面等離 子體共振的方法。如果光源為超短脈沖，不同波長到達表面等離子體共振點的 群延遲或者相位都可以調(diào)節(jié)。
權(quán)利要求
1. 一種實現(xiàn)寬帶光譜表面等離子體共振的方法，其特征在于該方法是通過預(yù)先補償寬帶光譜中不同頻率的光線的入射角實現(xiàn)寬光譜表面等離子體共振的，所述方法如下首先寬帶光譜光線進入空間色散系統(tǒng)后，不同波長的光線以不同的空間位置從所述空間色散系統(tǒng)中出射，之后進入附加光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)針對進入的光線，調(diào)節(jié)其光路并提供合適的匹配角度，使通過附加光學(xué)系統(tǒng)的不同波長的光線以不同的入射角入射到表面等離子體共振系統(tǒng)中，即使不同波長的光線能夠同時滿足表面等離子體共振的條件，從而產(chǎn)生寬帶光譜表面等離子體共振。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實現(xiàn)寬帶光譜表面等離子體共振的方法，其特征在于所述的空間色散系統(tǒng)中采用棱鏡、或是光柵、或是前述元件的組合 作為色散元件，以便能夠在空間位置上分離不同頻率的光線。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實現(xiàn)寬帶光譜表面等離子體共振的方法，其特征在于所述的附加光學(xué)系統(tǒng)中至少包含透鏡、或者是平面或凹面反射鏡， 以調(diào)節(jié)不同頻率的光線的入射角。.
全文摘要
本發(fā)明涉及一種能夠?qū)崿F(xiàn)寬帶光譜表面等離子體共振的方法，該方法是通過預(yù)先補償寬帶光譜中不同頻率的光線的入射角實現(xiàn)寬光譜表面等離子體共振的，所述方法首先寬帶光譜光線進入空間色散系統(tǒng)后，不同波長的光線以不同的空間位置從所述空間色散系統(tǒng)中出射，之后進入附加光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)針對進入的光線，調(diào)節(jié)其光路并提供合適的匹配角度，使通過附加光學(xué)系統(tǒng)的不同波長的光線以不同的入射角入射到表面等離子體共振系統(tǒng)中，即使不同波長的光線能夠同時滿足表面等離子體共振的條件，從而產(chǎn)生寬帶光譜表面等離子體共振，其主要的優(yōu)點是匹配帶寬比較寬，這使得對入射光的單色性的要求沒有原來苛刻。
文檔編號G01N21/55GK101451952SQ20081020379
公開日2009年6月10日 申請日期2008年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月1日
發(fā)明者張三軍, 曾和平, 愕 武, 潘海峰, 明 閆 申請人:華東師范大學(xué)