摘 要

SPR（表面等离子体共振）技术是一种精确简单的表征薄金属薄膜的方法，特别适用于研究厚度为几百埃的金属薄膜。在所有使用SPs（表面等离子体激元）表征金属薄膜的研究中，衰减全反射（ATR）Kretschmann–Raether棱镜耦合结构是最常见的SPs光激发方法。

金属薄膜的色散特性需要测量时，由于波长调制型的SPR方法比较简单且容易操作，本文将采用波长调制的方法。这种方法只需进行一次角度扫描即可测定金膜的介电常数和厚度，简化了实验测量过程。本文首先利用MATLAB软件仿真不同入射角和厚度下金膜的波长调制型的SPR共振曲线，然后利用波长调制型SPR方法测量金膜的介电常数和厚度。在530nm-550nm波长范围内，利用差分校正和迭代算法得到的测量结果与权威参考数据吻合较好，证明了基于波长调制的SPR方案测量金膜介电常数和厚度的可行性。

关键词：表面等离子体共振；金膜介电常数；厚度测量；波长调制

Abstract

SPR (Surface Plasmon Resonance) technology is a precise and simple method for characterizing thin metal films, and is particularly suitable for the study of metal films with thicknesses of several hundred angstroms. The attenuated total reflection (ATR) Kretschmann-Raether prism-coupled structure is the most common SPs photoexcitation method in all using SPs (surface plasmon) to characterize metal thin films.

When it needs to measure the dispersion characteristics of the metal film, the wavelength modulation method is used in this thesis as the wavelength modulation SPR method is relatively simple and easy to operate. This method can be used to measure the dielectric constant and thickness of the gold film by a single angle scanning, which simplifies the experimental measurement process. In this paper, we first use MATLAB software to simulate the SPR resonance curves of the gold film at different incident angles and thicknesses, and then measure the dielectric constant and thickness of the gold film by using the wavelength modulation SPR method. In the wavelength range of 530nm-550nm, the results obtained by means of differential correction and iterative algorithm are in good agreement with authority reference data, which demonstrates the feasibility of measuring the dielectric constant and thickness of gold films based on the wavelength modulation of the SPR scheme.

Key Words: Surface plasmon resonance ；Gold film dielectric constant；

Thickness measurement；Wavelength modulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 SPR传感技术国内外研究现状 1

1.2.1 SPR传感技术国外研究现状 1

1.2.2 SPR传感技术国内研究现状 2

1.3 金属薄膜色散特性研究现状 3

1.3.1 金属薄膜色散特性国外研究现状 3

1.3.2 金属薄膜色散特性国内研究现状 4

1.4 论文研究的目的和意义 4

1.5 论文研究的主要内容 4

第2章 SPR理论介绍 6

2.1 引言 6

2.2 光的基本性质 6

2.2.1 光的传播 6

2.2.2光的偏振态 8

2.2.3光的反射与折射 8

2.2.4反射率与透射率 9

2.3 SPR传感原理 10

2.3.1 全反射与倏逝波 10

2.3.2 SPR的产生原理 11

2.3.3 SPR的产生条件 11

2.3.4 反射光强的计算方法 12

2.4 SPs的光激发方法 13

2.4.1 棱镜耦合方法 13

2.4.2 波导耦合方法 13

2.4.3光栅耦合方法 14

第3章 SPR理论仿真 15

3.1 引言 15

3.2 波长调制SPR共振曲线仿真 15

3.2.1 金膜波长调制SPR共振曲线 15

3.2.2 不同入射角下金膜的SPR共振曲线 16

3.2.3 不同厚度下金膜的SPR共振曲线 16

第4章 实验 18

4.1 引言 18

4.2 实验装置 18

4.3 实验参数 19

4.4 金膜介电常数和厚度的测量原理及方法 20

4.5 测量结果及误差分析 21

4.5.1 测量结果 21

4.5.2 误差分析 23

第5章 结论 24

参考文献 25

致 谢 28

第1章 绪论

1.1 引言

对于金属薄膜的特性，通常由它的复介电常数的实部、虚部以及厚度这三个参数表征。金属薄膜厚度的测量方法常见的有石英晶体振荡法、断面直接观察法、轮廓仪法、椭偏仪法和干涉法，这些方法的可行性很高^[1]。而对于贵金属薄膜的介电常数而言，可采用相位、强度、波长、角度调制的表面等离子体共振（SPR）方法进行准确测量^[2]，其中波长和角度调制的SPR方法最为常用。由于贵金属薄膜是SPR传感系统的重要组成部分，当利用这种系统去测量其他介质的光学参数时，金属薄膜的光学参数必须首先被精确测量，因此测量得出贵金属薄膜介电常数的色散特性十分必要^[1]。本文的目的是测量金膜的介电常数和厚度，考虑到仪器成本以及实验方案的简洁性，并且已经证实SPR技术是一种精确简单的表征金属薄膜的方法，因此，采用SPR方法即可达到要求。由于SPR现象对与金属薄膜相接触介质的折射率很敏感^[3]，基于这种特点，SPR传感检测技术广泛应用于各个领域^[4]。并且，SPR传感器的突出优点是抗电磁干扰能力强、响应快、体积小、测量准确度高、机械强度大和与光纤相连可实现数据的远程采集和连续在线监控^[4-5]。本文将围绕基于波长调制的SPR方法，测量波长范围在530nm-550nm范围内金膜的介电常数和厚度，并将实验测量结果与已报道的权威参考数据进行比较。

本章将重点介绍表面等离子体共振（SPR）传感技术以及金属薄膜色散特性的国内外研究现状。由于能够产生SPR现象的金属薄膜必须是贵金属，因此本文出现的金属薄膜特指贵金属薄膜。