SPR谱仪的研制及在磁光复合薄膜测试中的应用

　　自从瑞典科学家 Liedberg 在上个世纪 80 年代首次将 SPR 传感技术运用于化学气体和抗原抗体相互作用检测^{[1, 2]。}在过去的二十多年里，表面等离子体共振 (Surface plasmon resonance, SPR) 传感系统在生物化学检测领域获得了广泛应用，并且已有文献报道表明 SPR 的应用开始向物理及其它领域扩展^[3-5]。目前，商业化的 SPR 测试系统价格昂贵。因此，对于有特定应用研究领域的实验测试，通常采用自行搭建的方法开发 SPR 谱仪以降低成本。

　　SPR 技术在生化领域成功应用的根本原因在于其内在的电磁共振机制。当外界电磁波与表面等离子波的能量与动量匹配时产生共振，通过共振外界电磁能量高效转变为表面等离子波的能量，并在导体与电介质界面形成局域共振放大的电磁场。这种增强的电磁场对于电介质光学常数的变化异常敏感，使得 SPR 技术可检测到生物单分子^[6,7]。同时，电磁共振引发的能量注入能够增强其它的物理光学效应，如：基于 SPR 增强的磁光效应成为近几年关于实现纳米等离子主动操控的研究热点之一^{[8, 9]。}SPR 增强的磁光效应主要利用贵金属和铁磁金属组成的复合薄膜平台，如何优化复合薄膜的结构以达到更强的表面等离子共振成为研究的焦点^{[10, 11}]，SPR 激发测试是 SPR 增强磁光效应研究中的一项关键技术。

　　本文针对 SPR 增强磁光效应中复合金属薄膜结构中的 SPR 激发测试搭建实验平台，描述了 SPR 谱仪的详细设计过程。对制备的一系列贵金属与铁磁金属复合膜层进行了测试，根据实验研究结果，给出了最佳 SPR 激发结构参数的预测。

　　1　表面等离子共振测试原理

　　表面等离子波实际上是金属 / 电介质体系的本征电磁波激发。通过求解麦克斯韦方程可得到本征电磁波的波矢为：

　　式中，λ 为入射光波长，n_d为电介质折射率，n_m为金属的折射率，波矢的方向平行于界面。因此，SPW 是一种横磁波 (TM 波 )。从微观上来理解，表面等离子波是外界电磁能量诱发的自由电子的集体运动，这种多体电子体系振荡的统计表象为金属 /电介质界面的电荷密度的疏密变化。由动量和能量匹配原则可以知道，要激发金属电介质体系的某一频率的表面电磁波，需要同频率的外加电磁波波矢或者其分量与表面等离子波矢大小相等、方向相同。由于直接照射到金属表面的电磁波矢始终小于表面等离子波矢，因此需要采用特定方法才能激发表面等离子波。实现波矢匹配条件主要有两种途径：一种是全内反射方式;另一种是采用光栅耦合方式。文中采用棱镜耦合全内反射方法增大入射光波矢，使其与金属 / 空气界面的表面等离子波矢相等。棱镜中入射光波矢的水平分量为：