2.1.
长程与传统表面等离子体波的对比
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采用波长为632.8nm的He-Ne激光器作为光源, 底角为45°的ZF6材质的直角棱镜, 分别激发传统结构和介质-金属薄膜-介质组成的对称结构。采用图 2所示的系统进行测试, 激光器发出的光经过偏振器产生TM模式的偏振光, 经光阑、准直透镜组后, 入射到棱镜中, 采用光功率计检测出射光的光强, 采用测角转盘来实现入射角度的测量, 入射角的范围为θp=57.5°~75°。传统结构中在棱镜斜边上镀50nm的金膜, 被测介质是质量分数为0.25的NaCl溶液, 在632.8nm时, 其折射率为1.3792。采用棱镜耦合方法激发介质-金属薄膜-介质中的长程表面等离子体波时, 介质采用聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate, PMMA)薄膜, 在632.8nm波长下的折射率为1.49, 其厚度为d2=1000nm; 金属采用金膜d1=15nm, 在632.8nm时的折射率为nAu=0.19609+j3.2558。测得的归一化光强与角度变化曲线如图 3所示。图中横轴为入射角度, 纵轴是反射光的归一化光强, 由于测得的光强值较小, 因此做归一化处理, 其值没有单位。从图中可以看出, 当采用棱镜耦合的方式来激励PMMA-金属薄膜-PMMA结构时, 产生的衰减峰的半峰全宽比传统的棱镜耦合的方式激励金属薄膜-被测介质的半峰全宽小得多, 即其衰减峰更加尖锐, 说明此时的损耗比传统的表面等离子体波(surface plasma wave, SPW)的损耗要小得多, 因此能够传输更长的距离, 所以, 也把这种表面等离子体波称为长程表面等离子体波, 其对于角度和膜厚度以及金属表面的情况更加的敏感。测试结果显示, 长程表面等离子体波的半峰全宽为0.121°, 传统的表面等离子体波的半峰全宽为5.365°。
2.2.
不同材质的金属薄膜对衰减峰的影响
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光源与棱镜不变, 激发长程表面等离子体波时, 介质采用PMMA薄膜, d2=1000nm; 金属厚度d1=15nm, 金属薄膜分别采用金膜、银膜、铝膜和铜膜进行测试。在632.8nm时各金属的折射率分别为nAu=0.19609+j3.2558, nAg=0.15677+j3.8045, nAl=0.12667+j7.2811, nCu=0.30703+j3.4345, 入射角范围为θp=58.5°~59.5°, 测得的结果如图 4所示。从图中可以看出, 在激励长程表面等离子体波时, 采用不同的金属材质, 对于衰减峰的位置和半峰全宽都会产生影响, 对于金膜、银膜、铝膜和铜膜, 所对应的共振峰角度分别为59.164°, 59.077°, 58.851°和59.125°, 所对应的半峰全宽分别为0.121°, 0.085°, 0.167°和0.184°。因此铝膜所对应的最大衰减时的入射角度最小, 金膜对应最大衰减峰时的入射角度最大, 银膜对应的衰减峰最尖锐, 且衰减最大。因此, 采用不同的金属薄膜对于长程表面等离子波的衰减峰位置、共振峰的半峰全宽以及衰减峰的深度都有影响, 可以根据需要选择不同的金属薄膜。由于银、铝和铁的化学性质不是特别稳定, 长期与外界接触容易产生氧化, 因此常采用金膜来实现传感应用。
2.3.
介质膜厚度对衰减峰的影响
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光源和棱镜与前面实验一致, 激发长程表面等离子体波时, 金属薄膜采用金膜, 其厚度d1=15nm, 介质采用PMMA薄膜, 金属薄膜与棱镜之间的介质膜厚度d2分别采用500nm, 700nm, 1000nm和1300nm时, 改变入射角θp, 其变化范围为58.4°~59.5°, 测得的光强随入射角变化的曲线如图 5所示。所对应的共振峰角度分别为58.954°, 59.093°, 59.166°和59.183°。从图 5中可以看出, 激励长程表面等离子体波时, 当棱镜与金属薄膜之间的介质膜厚度不同时, 对于衰减峰的位置、深度及衰减峰的半峰全宽都会产生影响。随着介质膜厚度的增大, 衰减峰对应的共振角度增大。若要取得较大的衰减深度, 则介质膜选择既不能太厚也不能太薄, 当介质膜厚度为500nm和1300nm时, 激发的表面等离子体波的衰减深度只有700nm和1000nm厚度薄膜时的1/2左右。而介质膜的厚度对于长程表面等离子体波的半峰全宽影响较为显著, 当介质膜厚度为500nm时, 半峰全宽的值最大, 1300nm时半峰全宽的值最小。而介质厚度为700nm和1000nm时, 共振曲线具有近似相等的衰减程度, 但介质厚度为1000nm时, 具有较小的半峰全宽值。随着介质膜厚度的增加, 所激发的长程表面等离子体波的半峰全宽减小。
2.4.
金属膜厚度对衰减峰的影响
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激发长程等离子体表面波时, 保持光源与棱镜不变, 介质采用PMMA膜, 波长为632.8nm时折射率为1.49, 厚度d2=1000nm, 金属薄膜采用金膜, 膜厚d1分别采用10nm, 15nm, 20nm, 30nm时, 改变入射角θp, 其变化范围为58°~62°, 测得的光强随入射角变化的曲线如图 6所示, 分别在58.691°, 59.164°, 59.769°和61.281°处产生最大衰减。从图 6中可以看出, 在激励长程表面等离子体波时, 采用不同的金属膜厚度, 对于衰减峰的位置和衰减峰的半峰全宽都会产生影响, 图中当金膜为10nm的时候, 衰减深度最深, 衰减峰的半峰宽度最小; 而当金属膜为30nm时, 衰减峰非常不明显, 因此, 在激发长程表面等离子体波时, 金属材质越薄, 则衰减深度越深, 衰减峰的半峰全宽值越小, 当金属膜厚度大于20nm时, 激励的长程表面等离子体波的衰减峰不明显, 这是由于金属膜上下与介质接触界面表面波的耦合产生了长程表面等离子波, 当金属薄膜越厚时, 产生的耦合效应越小。
2.5.
介质膜折射率对衰减峰的影响
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实验中的光源和棱镜与前面实验一致, 在激发长程表面等离子体波时, 采用金膜, 膜厚为15nm, 介质膜膜厚d2=1000nm, 当介质膜折射率n分别为1.48和1.49时, 改变入射角θp, 其变化范围为58°~60°, 测得的光强随入射角变化的曲线如图 7所示。分别在58.571°和59.163°产生最大衰减, 从图中可以看出, 在激励长程表面等离子体波时, 当介质折射率变化时, 衰减峰的位置发生变化, 随着介质折射率的增大, 衰减峰的位置向着大角度方向移动, 而介质折射率的改变对于半峰全宽的影响不明显。