[实用新型]一种基于金属薄膜SPR色散的图像化测量装置

说明书

技术领域

本实用新型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。

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 Plasmon Resonance,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-Film Measurements 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 for determination 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 dielectric constant and thickness of a nanolayer by use of surface plasmon resonance sensing and multiexperiment linear data analysis,Applied Optics,Vol.45,Issue 23,pp.6038-60442006)：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 determination of the thickness and the optical dispersion property of gold film using spectroscopy 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 estimation for 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 surface plasmon spectro-angular reflectance spectrum:real-time measurement,resolution limits,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。