[发明专利]实现宽带光谱表面等离子体共振的方法

说明书

技术领域

本发明涉及表面等离子体共振技术，具体涉及一种能够同时产生宽带光谱表面等离子体共振的技术。 

背景技术

表面等离子体是一种存在于介电常数的实数部分分别为正和负的两种介质的分界面上的衰逝电磁波，可以由光来激发，并且与激发它的光具有相同的频率，即产生共振。这种由光激发表面等离子的方法叫做表面等离子体共振。表面等离子体共振具有近场增强的效应，即金属与电介质界面附近的电磁场可以因为表面等离子体共振而比入射电磁场强很多。这种近场增强的效应使得表面等离子体共振具有很多重要的应用。首先表现在提高探测器的灵敏度和提高非线性光学效应的效率方面。应用表面等离子体共振效应制成的探测器具有灵敏度高、响应迅速、无需标记等优点，探测器表面的细微变化都可以很容易的被探测到。这种探测器已经被成功的用来提供分子识别以及探测分子的动力学过程，例如探测蛋白质—蛋白质、蛋白质—DNA、新药分子—疾病靶等生物分子的结合或者解离等动力学过程。其次表现在制造高灵敏高分辨(分辨率可以达到10^-6折射率单位以下)的表面等离子体共振折射仪方面。表面等离子体共振技术还可以被用来提高拉曼光谱、红外光谱等信号强度和灵敏度。很多方面的应用都已经商用化，例如商用的表面等离子体共振分析仪(分子相互作用分析仪)、表面等离子体共振折射仪、表面等离子体共振增强拉曼光谱仪、表面等离子体共振增强红外光谱仪等。此外，表面等离子体共振效应也促进了显微技术的发展，基于表面等离子体共振增强效应的远场显微镜、远场扫描显微镜、以及近场扫描显微镜丰富了显微镜的种类，并且具有高灵敏度、高空间分辨率的特点。另外，在科研领域表面等离子体共振技术也经常被用来提供近场增强效应，从而提高多种光学效应效率，例如，表面等离子体共振增强的二次谐波 产生、表面等离子体共振增强的双光子吸收、表面等离子体共振增强的荧光产生等。上面列举了表面等离子体共振技术的部分应用，已经足以表明表面等离子体共振技术的应用有多么广泛。所以表面等离子体共振技术的改进，例如本发明中所述的技术，可以导致很多基于表面等离子体共振技术的革新。 

表面等离子体可以通过光激发产生。因为表面等离子体的波矢量比同频率的光波矢量大，所以它不能够被光直接激发，而需要有一种方法来提高光的波矢量，常用的方法是采用棱镜来满足匹配条件。为了达到利用光来激发表面等离子体的目的，可以采用两种结构，分别为Kretschmann(如图1a)结构和Otto(如图1b)结构，图中的C1表示棱镜，C2表示金属膜，C3为电介质环境，比如空气或者液体环境等。在Kretschmann结构中，一层几十纳米量级厚度的金属膜附着在棱镜上，只有p偏振(光的电场振动方向与光的入射面平行)的激发光以合适的角度入射时才能在金属和电介质的界面上激发出表面等离子体，而s偏振(光的电场振动方向与光的入射面垂直)的光却不能激发出表面等离子体。Otto结构中金属层和棱镜不接触，间隔为几十纳米量级，因为Otto结构的应用远远没有Kretschmann结构广泛，在此不详述，但是本专利描述的方法既适用于Kretschmann结构也适用于Otto结构。表面等离子体可以存在于图1所示的物质C2和C3的交界面上，表面等离子体的波矢量为 

ksp=ωcϵmϵdϵm+ϵd]]>                        (公式1) 

这里ε_m和ε_d分别为金属C2和测试环境C3的介电常数，ω为激发光的频率，c为真空中的光速。 

棱镜中光波矢量在C1C2界面方向上的分量为