表面等离子体激元共振实验报告
等离子体实验报告
等离子体实验报告等离子体实验报告引言：等离子体是一种高度激发的物质状态，具有独特的物理性质和广泛的应用前景。
本实验旨在通过制备等离子体并研究其性质，探索其在科学研究和工业应用中的潜力。
1. 实验原理等离子体是由离子和自由电子组成的，其中的电子被高能量的热激发或电场激发所产生。
等离子体的特点是具有高度激发的电子和离子，呈现出与固体、液体和气体不同的物理性质。
2. 实验装置本实验采用了等离子体发生器、真空室、电极和探测器等装置。
等离子体发生器通过高电压放电产生等离子体，真空室则提供了一个低压环境，以便观察和研究等离子体的性质。
3. 实验步骤首先，将实验装置连接好并确保安全。
然后，通过控制电压和电流，使等离子体发生器产生稳定的等离子体。
接下来，将探测器放置在真空室中，以测量等离子体的密度和温度。
最后，根据实验数据进行分析和讨论。
4. 实验结果与讨论实验结果显示，等离子体的密度和温度与电压和电流有关。
随着电压和电流的增加，等离子体的密度和温度也随之增加。
这表明，电场激发对等离子体的产生和维持起着重要作用。
此外，实验还观察到了等离子体的发光现象。
当电场激发等离子体时，激发的电子会从高能级跃迁到低能级，释放出能量并产生光。
这种发光现象在等离子体显示器和气体放电管等设备中得到了广泛应用。
5. 应用前景等离子体作为一种新型物质状态，具有广泛的应用前景。
它可以用于制备高能量材料、进行精细加工和材料表面改性等工业应用。
此外，等离子体还可以用于太阳能电池、医学诊断和治疗等领域。
6. 实验总结通过本实验，我们对等离子体的性质和应用有了更深入的了解。
等离子体作为一种新型物质状态，具有独特的物理性质和广泛的应用前景。
我们相信，随着科学技术的不断发展，等离子体将在更多领域展现其潜力，为人类带来更多的福祉。
结论：本实验通过制备等离子体并研究其性质，探索了等离子体在科学研究和工业应用中的潜力。
实验结果表明，等离子体的密度和温度与电压和电流有关，并且等离子体具有发光现象。
表面等离子体共振实验
表面等离子体共振实验姚付强 2012326690046 应用物理学12（2）班实验目的：1. 了解全反射中消逝波的概念。
2. 观察表面等离子体共振现象，研究共振角随液体折射率的变化关系。
3. 进一步熟悉和了解分光计的调节和使用。
实验原理：当光线从光密介质照射到光疏介质，在入射角大于某个特定的角度（临界角）时，会发生全反射现象。
但在全反射条件下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逝波。
若光疏介质很纯净，不存在对消逝波的吸收或散射，则全反射的光强并不会衰减。
反之，若光疏介质中存在能与消逝波产生作用的物质时，全反射光的强度将会被衰减，这种现象称为衰减全反射。
如果在这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消逝波的P 偏振分量将会进入金属薄膜，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。
表面等离子体共振原理如图所示。
对于某一特定入射角，消逝波平行于金属(电介质)界面的分量与表面等离子体波的波矢（或频率）完全相等，两种电磁波模式会强烈地耦合，消逝波在金属膜中透过并在金属膜与待测物质界面处发生等离子体共振，导致这部分入射光的能量被表面等离子体波吸收，能量发生转移，反射光强度显著降低，这种现象被称为表面等离子体波共振。
当发生共振时，表面等离子体共振角与液体折射率的关系由以下公式表示2212210Re Re )sin(n nn sp +=εεθ其中spθ 为共振角，0n 为棱镜折射率，2n 为待测液体折射率，1Re ε 为金属介电常数的实部。
实验仪器表面等离子体共振实验仪器装置如图所示。
主要由分光计、激励光源、偏振片、硅光电池、光功率计、半圆柱棱镜（内充液体介质）。
实验内容1. 调整分光计2. SPR传感器中心调整3. 测量某一液体的共振角数据处理最大光强为126光强126 121 115 107 97 92 91 83 86 87 88 89 931.0 0.96 0.91 0.85 0.77 0.73 0.72 0.66 0.68 0.69 0.70 0.71 0.74 相对光强63 65 66.5 68 69.5 71 72.5 73 73.5 74 75.5 77 78.5 入射角（°）结果讨论由图中曲线可知相对光强的最低点所对应的入射角为︒73 ，因此共振角就是︒73 ，再根据公式可以得出该液体的折射率。
表面等离子体共振
表面等离子体共振
表面等离子体共振是一种在纳米尺度下的表面增强光谱学技术，在化学、生物、物理等领域中具有重要的应用价值。
表面等离子体共振通过激发金属纳米结构表面的等离子体共振激元，实现对吸附在金属表面或与金属表面相互作用的样品进行高灵敏度的光谱检测。
我们知道，等离子体共振是指金属或其他导体中的自由电子在外界电场作用下
的振荡现象。
当这种振荡发生在金属纳米结构的表面时，就形成了表面等离子体共振。
之所以称为“表面”，是因为这种共振只发生在金属表面附近几十到几百纳米的
范围内，具有高度局域的特点。
在表面等离子体共振技术中，研究人员通常利用纳米结构的阵列、膜、颗粒等
作为表面等离子体共振的基底。
这些纳米结构的形状、尺寸和材料可以被精心设计，以调控其共振特性，从而实现对不同样品的选择性检测和分析。
通过表面等离子体共振技术，科研人员可以实现对生物分子、药物、化学物质
等样品的高灵敏度检测，甚至可以实现单分子检测。
表面等离子体共振在生物传感、化学分析、光电器件等领域具有广泛的应用前景，为科学研究和工业技术的发展带来了新的机遇。
总的来说，表面等离子体共振作为一种重要的纳米技术手段，具有丰富的理论
基础和广泛的实际应用。
随着纳米科技的不断进步，表面等离子体共振技术在材料科学、化学分析、生命科学等领域中将发挥越来越重要的作用，为人类社会的进步和发展做出更多贡献。
本科生SPR
SPR技术用于BSA-antiBSA动力学研究一．实验目的1.了解SPR技术的原理和应用。
2.掌握SPR技术进行动力学研究的基本步骤。
二．实验原理SPR的全称是表面等离子体激元共振(surface plasmon resonance, SPR)是一种检测金属表面超薄吸附层厚度和结构变化的物理光学技术，是研究生物分子与其它分子相互作用的有力工具，具有高灵敏、免标记、实时检测等优点，在研究分子之间作用的动力学方面具有独特的优势。
SPR技术通常用稳定性好并且折射率高的金膜做感应芯片，当感应芯片表面发生分子的吸附和相互结合状况发生变化时，金属表面折射率的灵敏变化就可以很便利地研究生物分子间的相互作用。
对于生物分子的检测，通常在金膜表面修饰上生物膜基底以防止生物分子直接接触金膜发生变性或非特异性吸附。
BSA（牛血清蛋白）是一种比较稳定的蛋白，在生化实验中有广泛的应用。
它对应的抗体是anti-BSA，二者分子量都比较大，并且之间的作用很强。
当芯片表面固定了BSA后，anti-BSA与BSA的结合会引起表面折射率的明显变化，通过SPR信号反映出来。
不同浓度的anti-BSA样品对应不同的SPR信号响应。
把不同浓度的信号曲线放在一起用动力学软件拟合就可以得到动力学数据和热力学数据。
预先修饰的生物膜表面有羧基，通过活化剂活化了表面羧基后，含氨基的BSA分子就会直接与活化后的羧基相互作用，从而被固定在芯片表面作为捕获分子。
Anti-BSA分子作为靶点分子再与BSA相互作用而被结合到表面，引起SPR信号的变化。
结合到表面的Anti-BSA分子还可以通过NaOH溶液使芯片再生，重复使用。
NaOH溶液可以破坏BSA和Anti-BSA分子之间的作用，使之解离。
三．主要仪器和试剂1.SPR检测仪器。
2.磷酸盐缓冲液（PBS）：10 mM K2HPO4，10 mM KH2PO4 ，10 mM NaCl，pH 7.23.EDC：0.4 M，用水溶解，使用之前新鲜配制。
表面等离激元共振
表面等离激元共振在太阳能电池等领 域中，可以提高光电转换效率，促进 可再生能源技术的发展。
表面等离激元共振的历史与发展
早期研究
表面等离激元共振的研究始于20世纪初，但直到近年来随 着纳米技术的快速发展，才得到了广泛关注和应用。
受介质影响
当表面等离激元遇到不同介质时 ，会发生反射、折射或耦合等现 象。
表面等离激元的共振条件
波矢匹配
当入射光波的波矢与表面等离激元的波矢相匹 配时，会发生共振增强效应。
能量守恒
入射光能量与表面等离激元的能量必须相匹配， 才能实现共振。
动量守恒
入射光与表面等离激元必须满足动量守恒定律。
03
表面等离激元共振的应用
光电探测器
用于检测共振产生的光信号，如光电流或光 电压。
激光器
提供共振所需的光源，通常选用可见光波段 的激光。
金属纳米结构
制备具有特定形貌和尺寸的金属纳米结构， 如纳米颗粒、纳米棒、纳米片等。
实验步骤与操作
样品制备
在玻璃基底上制备金属纳米结 构样品，可以采用物理气相沉
积、化学合成等方法。
光学显微镜观察
THANK YOU
实验验证难度
表面等离激元共振的实验验证是另一个技术挑战。由于表面等离激元共振的特性，实验验证需要高精度的测量设备和 复杂的实验条件，这增加了实验验证的难度。
理论模型的不完善
目前对表面等离激元共振的理论模型仍不完善，这限制了对表面等离激元共振的深入理解和应用。需要 进一步发展理论模型，提高理论预测的准确性和可靠性。
调控光电流
通过表面等离激元共振，可以调控太阳能电池中的光电流方向和大 小，优化能源利用效率。
表面波等离子体实验研究
表面波等离子体实验研究梁荣庆1 区琼荣2 房芳2 梁波1 王飞1 韩冬1复旦大学现代物理研究所1 中国科学院等离子体物理研究所应用等离子体研究室2摘要：表面波等离子体源是近年发展起来的新型等离子体源技术[1-3]。
该源技术可在较低的气压下（<20mTorr）产生大面积（>φ100cm）、均匀、高密度（>1011cm-3）的等离子体，这种新型等离子体源物理与技术的研究对发展有更大加工面积、更好综合性能的下一代等离子体源技术有着非常重要的意义。
本文探讨了表面波激发等离子体的基本原理，介绍了我们研制的直径30cm高度50cm的表面波等离子体源。
该等离子体源采用了两种激发表面波等离子体的微波耦合方式：1）通过顶部盖板上狭缝耦合，产生大面积平面等离子体。
2）利用环状微波波导内侧狭缝耦合产生大体积等离子体。
我们分别对两种激发方式单独以及共同运行时产生的等离子体进行了实验研究，在各种实验条件下用探针技术测量了等离子体的密度和温度分布，并观察到了丰富的表面波等离子体模式变换现象。
论文给出了这些实验的结果并进行了初步分析。
一、前言新型等离子体源技术对推动ULSI和MEMS的超细微加工、大面积平板显示器和太阳能电池制造、纳米材料制备以及表面改性等高新科技领域发展至关重要。
为适应上述领域的发展与要求，要求等离子体源具有大面积均匀（直径D>100 cm）、高密度（>1011cm-3）、低气压（<20 mTorr）、无内电极污染（感应或电磁波激发放电）、结构简单（无需磁场）、稳定、可控性好等特点。
在此背景下发展起来了一批新型等离子体源：电子回旋共振等离子体源（ECR）、螺旋波等离子体源（Helicon）、电感耦合等离子体源（ICP），这些新等离子体源相对于传统的电容耦合等离子体源（CCP），具有等离子体密度高、无电极污染、可运行于低气压下等显著优点。
但上述等离子体源存在的问题有：需要外加磁场，造成结构复杂及等离子体的空间各向异性；等离子体中电子能量较高，会对精细的加工带来不利影响；在增大等离子体面积并保持较好的均匀性、进一步提高等离子体密度等方面，由于原理的原因受到限制。
表面等离子体共振原理及应用
1.0
0.9 Reflectance
0.8
0.7
0.6 620
640
660
680
700
720
Wavelength / nm
典型的SPR光谱
二、 SPR传感器概念
4种检测方式
1.
2. 3. 4.
角度调制：固定λ
波长调制：固定θ
in，改变θ in
in in in
，改变λ
in
强度调制：固定θ
相位调制：固定θ
基于角度调制的SPR传感装置
SPR 对附着在金属薄膜表面的介质折射率非常敏感 , 当表面 介质的属性改变或者附着量改变时，共振角将不同。因此， SPR谱（共振角的变化vs时间）能够反映与金属膜表面接触 的体系的变化。
典型仪器
Biacore 2000 Dimensions: 760 x 350 x 610 mm Net Weight: 50 kg Spreeta 2000
表面等离子体共 振及其应用
报告人：邢砾云
2012.10
表面等离子体的产生 SPR传感器概念 典型SPR传感器及其应用
一、表面等离子体的产生
Surface Plasmon Resonance , SPR
除电子以外，用电磁波，如光波，也能激发表面等离子体振动。二 十世纪初，Wood 首次描述了衍射光栅的反常衍射现象，这实际上就是 由于光波激发了表面等离子体振动所致。六十年代晚期，Kretschmann 和Otto采用棱镜耦合的全内反射方法，实现了用光波激发表面等离子体 振动，为SPR技术的应用起了巨大的推动作用。他们的实验方法简单而 巧妙，仍然是目前SPR装置上应用最为广泛的技术。
、λ
表面等离子体激元
表面等离子体激元
表面等离子体激元（surface plasmon polariton，SPP）是研究与复
杂光学、电磁和物理行为相关的材料和结构的有效载体，具有重要应
用价值。
它可以将光信号传输到固体的内部，并使光子显得更短，这
为传递信息提供了新的可能性。
表面等离子体激元描述了物理表面上发生的电磁激励现象。
它们类似
于传统的电磁波，但具有新的特性，包括在固体物质表面反射回来的
大量能量和短波长。
SPP由一个电磁波和一个等离子体波强相互作用而产生，这两种波抵消并形成一种新的组合波。
表面等离子体激元的特性给它带来了几个关键优势。
它们可以用来实
现高密度的电磁能量传输，并能够以最少的时间传输信号。
它们还可
以用来控制传输的方向，因此可以实现高度有效的光学传输。
此外，
它们还将光子的波长缩短，从而可以实现高信噪比的传输，在存储和
运输光信息中发挥重要作用。
表面等离子体激元在多个领域都发挥着关键作用，如通信、电子系统
设计和光学系统设计。
它们在激光打印、光学散射和拉曼分析（Raman scattering）等技术中也被广泛应用。
此外，它们还为光子学中的调
制器、衍射元件和其他器件发挥着重要作用。
表面等离子体激元现在已经成为光子学中不可或缺的研究对象，它们
可以实现更快、更精准的处理和传输信号，并在全球各个行业发挥巨
大的作用。
它们已经从研究阶段走向实践应用，且未来前景一片光明。
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其中， 是光的频率，c是光速， 光子的波矢量， 和 分别系如下图中实线所示，由方程（1）计算所得。
在全反射( Total internal reflection)的情况下电场在金属与棱镜表面并不立即消失，而是向金属介质中传输振幅呈指数衰减的消失波（Evanescent light wave）。该消失波可以与金属薄膜内的自由电子作用，形成表面等离子体激元。消失波的平行矢量表达如下：
SPPs是光子和等离子体激元耦合的表面电磁波，沿着金属/电介质表面传播，可以用来提高各种光谱测量的灵敏度（单或双光子表面荧光，拉曼散射，SHG）。与SPP有关的光区强度在离金属界面200nm范围内成指数衰减。通过SPPs最简单的形式，SPR反射率可以用来测定金属表面吸附的薄膜的折射率和厚度。椭圆偏振是另外一种可以用来测量薄膜的折射率和厚度的表面技术，但是在超薄膜（<40nm,视基体而定）的测量中它的灵敏度不如SPR。
SPPs是由金属/电介质介面的处于谐振的电子与光能的耦合产生的。只有用p-极化光波激发才能产生（也就是光的电场矢量平行于入射光的平面），并且传播矢量或是波矢量ksp，位于金属表面的平面。SPPs振幅在金属/电介质介面是最大的，随着远离界面的距离成指数衰减。这主要是因为与在金/空气界面的表面等离子体激元形成有关的电场,，随着远离金膜表面而指数衰减。这个电场随着远离金膜表面而呈指数衰减，当在164nm处达到1/e，这给出一个表面等离子体激元可探测的大体范围。许多的表面光谱技术利用了这种增强，包括拉曼，荧光和二次谐振的发生。
是棱镜的折射率, 是入射光角度。
三、实验数据
表面等离子体激元共振仪
一、实验目的
1.掌握表面等离子体激元共振仪的原理和使用方法；
2.了解表明等离子体激元共振仪在生物传感器方面的应用；
3.掌握使用仪器测量生物样品的方法。
二、实验原理
表面等离子体激元共振是一种非常灵敏的表面光谱技术，它是利用金属/电介质界面产生表面等离子体激元极化( Surface plasmon polaritons, SPPs) 时金属（Au, Ag, Cu, Al）表面的光区加强效用。