表面等离激元共振法 测液体折射率

表面等离激元共振法测液体折射率摘要：本实验测量纯水和纯酒精的表面等离激元共振的共振角分别与理论计算数据相吻合,证明该系统测量的共振角数值能正确地反映液体折射率的变化.利用该系统测量了空气和纯净水的折射率。关键词：表面等离激元，液体折射率，共振角一、实验目的1、了解全反射中倏逝波的概念；2、观察表面等离激元共振现象，研究其共振角随折射率的变化；3、进一步熟悉和了解分光计的调节和使用；4、了解和掌握共振角测量的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ，以及计算折射率的原理和方法；二、实验原理表面等离激元（SPPs）是一种局限在金属与电解质界面的表面电磁波，表现为金属表面电子的集体振荡行为，具有突破光传播衍射极限的能力，被誉为最有希望的纳米集成广播到的信息载体[1].在电磁场的作用下，材料中的自由电子会在金属表面发生集体振荡，产生表面等离激元；共振状态下电磁场的能量被有效转换为金属表面自由电子的集体振动能。当入射光从折射率为n1的光密介质照射到折射率为n2的光疏介质，当入射角θ大于临界角θc时,将发生全反射，在全内反射（TIR）条件下，入射光的能量没有损失，但光的电场强度在界面处并不立即减小为零，而会渗入光疏介质中产生消失波，光波并不是绝对地在界面上被全反射回光密介质，而是渗入光疏介质大约一个波长的深度，并沿着界面流过波长量级距离重新返回光密介质，沿着反射光方向射出。这个沿着光疏介质表面流动的波称为倏逝波。对于倏逝波在金属内部的分布是随着与表面垂直距离z的增大而呈指数衰减，即()(0)exp(-)zIzId(1)其中0222122sindnn(𝜆0是光在真空中的波长)是倏逝波渗入光疏介质的有效深度(光波的电场衰减至表面强度的1/e时的深度)。可见入射的有效深度d不受入射光偏振化程度的影响，除θ→𝜃𝑐，d→∞的特殊条件外（𝜃𝑐为布儒斯特角），d随着入射角的增加而减小，其大小是𝜆0的数量级甚至更小。因为倏逝波的存在，在界面处发生全内反射的光线，实际上在光疏介质中产生大小约为半个波长的位移后又返回光密介质。表面等离激元共振（SPR）是倏逝波以衰减全反射的方式激发表面等离激元波（SPW），当SPW波矢与倏逝波的波矢大小相等、方向相同时，产生共振，导致入射光的反射光强降至最低。如果在两种介质界面之间存在几十纳米的金属薄膜，那么全反射时产生的倏逝波的P偏振分量（P波）将会进入金属薄膜，与金属薄膜中的自由电子相互作用，激发出沿金属薄膜表面传播的表面等离子体波（SPW）。当入射光的角度或波长到某一特定值时，入射光的大部分会转换成SPW的能量，从而使全反射的反射光能量突然下降，在反射谱上出现共振吸收峰，此时入射光的角度或波长称为SPR的共振角或共振波长。SPR的共振角或共振波长与金属薄膜表面的性质密切相关，如果在金属薄膜表面附着被测物质（一般为溶液或者生物分子），会引起金属薄膜表面折射率的变化，从而SPR光学信号发生改变，根据这个信号，就可以获得被测物质的折射率或浓度等信息，达到生化检测的目的。表面等离激元(SP)是沿着金属和电介质之间的界面传播的电磁波所形成的。当P偏振光以表面等离激元共振角入射到界面上，将发生衰减全反射：入射光被耦合到表面等离激元内，光能被大量吸收，在这个角度上由于发生了表面等离激元共振从而使得反射光显著减少。光在界面处发生全内反射时的倏逝波，可以引发金属表面的自由电子产生表面等离激元。在入射角或波长为适当值时，表面等离激元与倏逝波的频率相等，两者之间发生共振。入射光被吸收，使反射光能量急剧下降，在反射光谱上出现共振吸收峰，这就是表面等离激元共振现象。在入射光波长固定的情况下，通过改变入射角，也可以实现角度指示型表面等离激元共振。如图所示，当P偏振光（振动方向在入射面内）通过柱面棱镜照射到金属表面时，入射光波矢k在x方向上的投影为01sinxpkkn(2)式中，00=2π/λk是入射光在自由空间中的波矢，0λ是入射光在自由空间中的波长，pn是柱面棱镜的折射率（折射率有实部、虚部，本实验所指折射率均指折射率的实部），1为入射角。根据Maxwell方程，可以推导出表面等离激元波的波矢ksp（如图所示）的模为202msspmsnkkn(3)其中，m是金属的介电常数，ns是待研究介质的折射率。当kx＝ksp时，入射光波就会在金属表面形成表面等离激元共振。20102sinRemssppmsnkknkn(4)上式就是产生SPR现象的条件。采用角度指示型检测方式，调节入射角θ1，反射强最低时对应的共振角θ满足：22sinRemssppmsnnn(5)由于所采用的金属介电常数的实部绝对值远大于虚部绝对值，则公式（5）可进一步简化为：22Re()sinRe()mspspmsnnn(6)Kx电介质金属膜柱面棱镜反射光入射光KspSPW图一表面等离激元共振示意图图二基于分光计的SPR传感器原理图三、实验内容及步骤1.传感中心调整，利用右图所示的工具，最终调整到转动载物台，激光始终打在顶尖III上。2.样品测量读数（1）测量空气（2）测量纯水四、实验数据处理1.空气角度θ37383940414243光强值P271273273281300295248角度θ44454647484950光强值P227239269281286288289Excel作θ-P图如下：由图可知：空气θ=44.2°2.纯水200220240260280300320353739414345474951光强值P角度θ68697070.57171.572光强值P491479456431420414414角度θ72.5737475767778光强值P418425433443453463475Excel作θ-P图如下：由图可知：纯水θ=71.6°；由于实验器材所限，实验当天没有待测溶液，只测了水和空气的共振角。由公式：22Re()sinRe()mspspmsnnn纯净水θsp=71.6°和空气θsp=44.2°根据所测得的数据，只能大致检验一下测得水和空气是否正确：取np=1.516将纯净水共振角带入计算得Re(εm)=-12.703带入空气θsp=44.2°即可得到空气折射率为ns=1.013，和 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 空气折射率差别不大。五、误差 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 及实验心得：误差分析：1.在实验过程中，改变角度时由于仪器限制及人的操作问题，导致角度的变化并非是连续的，这样很有可能会错过其共振角的位置，导致所得到的数据并非是共振角，并且实际上光屏不同位置对激光敏感度不同，即使稍微改变角度，眼睛观测到光斑仍位于中线上，但显示的光强却有很大的不同，即偏离一小段位置对所测功率的影响是比较大的，从而导致数据变化与理想有一些差距，从而导致所画图像出现偏差，最终影响光强最小角度的读取；2.调节传感器光路的步骤中会有误差，因为游标座并不完全固定，而且在调节过程中是依4004104204304404504604704804905006668707274767880光强值P靠肉眼来鉴别是否对准，都会产生误差；3.敏感元件并不是完全干净的，上面的污渍也会对实验产生很小的误差；4.在固定刻度盘转动游标盘并且转动望远镜支臂读数的时候，由于刻度盘并没有完全锁死，所以会随着游标盘和望远镜支臂转动，虽然角度很小，但在游标盘从66°转动到88°的过程中，也会积累起来产生较大的误差。5.每次转动游标盘1°然后读数，由于人眼的误差很难精确地对准在整位数上，这些都会造成偶然误差；实验心得：开始是一个人做实验，因为对实验步骤不熟悉，造成不知道该从哪里下手的情况，因此以后要做好预习工作，做到心里有数；在校准光路时因为没有掌握好技巧，导致调了好长时间才调好，这样就缩短了测量时间。后来发现由于繁琐的细节比较多，一个人做很容易失误，就找了一个同伴一起做，而且改进了实验 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。正如误差分析中第二点所述，为了减小误差，锁死刻度盘和支臂以后再转动游标盘；然后锁死游标盘松开支臂和刻度盘读数。这样保证及时不小心操作失误，也能及时调整回来。不过每次读数需要拧三次螺丝，操作上比较麻烦。这个实验原理并不困难，我们理解起来也很容易，但简单的实验并不是我们的目的，我们要在实验中有自己的想法，引起自己的思考，这样才算是真正的达到了实验的目的。实验 注意事项 软件开发合同注意事项软件销售合同注意事项电梯维保合同注意事项软件销售合同注意事项员工离职注意事项 ：1.眼睛不要与激光对视；2.不能手碰光学元件的表面；3.数字功率计在测量10分钟前打开预热稳定，测量结束后立刻关闭。参考文献：[1]汪国平.表面等离子体激元纳米集成光子器件[J].物理,2006,35(6):502-507[2]表面等离激元共振[J].高治文,陈丽娜,赵景星,于新,周素琼,谢文章.大学物理实验.1994(02)[3]Opticalconstantsofthenoblemetals.JohnsonPB,ChristyRW.PhysicalReviewB,CondensedMatterandMaterialsPhysics.1972