一种基于表面等离激元共振原理的演示实验装置

1.本实用新型涉及教学用具技术领域，具体是一种基于表面等离激元共振原理的演示实验装置。


背景技术：

2.表面等离激元是存在于金属和介质界面的一种特殊的电磁波，表面等离激元共振模式传播的情况下，对电场和磁场有很强的束缚特性，在垂直于界面的方向上，场强随距离的增大呈指数衰减，在沿着界面的方向上，金属中的场强和电荷分布以纵波的方式传播。为了使学员对表面等离激元共振技术的应用有更深入更理性的认识，等离激元共振原理的演示实验装置也随之出现。目前所使用的等离激元共振原理演示实验装置，其结构过于复杂，功能过多，在实际学习中，很容易出现疏漏，同时整体结构上不简明，需要进行改善。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的在于提供一种基于表面等离激元共振原理的演示实验装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
4.为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
5.一种基于表面等离激元共振原理的演示实验装置，包括工作台和调节组件，工作台上端设有活动窗；
6.工作台上端位于活动窗一侧依次设有偏振片和激光器，工作台上端位于活动窗另一侧设有机械转台，机械转台上设有与偏振片和激光器相对应的流通池和耦合器件；
7.耦合器件包括反射镜和设置在反射镜一侧的玻璃片，所述反射镜为半球玻璃，所述玻璃片上镀有金膜；
8.优选的，所述工作台上端位于活动窗另外两侧铺设有滑轨，滑轨上设有活动座，活动座置于激光器下方并通过调节支架与激光器相连接，其下端设有调节组件。
9.优选的，所述金膜厚度为50nm。
10.优选的，所述调节支架底端通过导轨件与活动座上端面滑动连接，
11.优选的，所述调节支架顶端通过铰接件与激光器下端部铰接。
12.优选的，所述偏振片底端设有固定夹，固定夹通过螺丝件与偏振片可拆卸连接，固定夹贴近活动座一侧通过连接架杆与活动座固定连接。
13.优选的，所述调节组件包括螺杆和转动电机，螺杆置于活动窗下方，其两端与工作台内壁两侧转动连接，转动电机固定在工作台外壁一侧，其输出端穿过工作台侧板与螺杆固定连接，螺杆杆身外设有配合块，配合块上端穿过活动窗与活动座下端面固定连接。
14.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：该新型演示装置主要包括激光器、机械转台、耦合器件、流通池以及偏振片，利用耦合器件上的半球玻璃呈现出表面等离激元环现象，从而达到了对表面等离激元环现象进行观察的目的，并能对不同浓度的液体折射率进行测量，同时具备原理清晰、结构简明的特点，各个光学元件相互组合，并且调节方便，非
常适合物理专业高年级本科生学习和实践，实用性强。
附图说明
15.图1为一种基于表面等离激元共振原理的演示实验装置的结构示意图。
16.图2为一种基于表面等离激元共振原理的演示实验装置中偏振的结构示意图。
17.图3为一种基于表面等离激元共振原理的演示实验装置中活动窗的结构示意图。
18.图中：1、工作台；2、活动座；3、转动电机；4、配合块；5、流通池；6、耦合器件；7、机械转台；8、调节支架；9、激光器；11、固定夹；12、偏振片；13、滑轨；14、活动窗；15、螺杆。
具体实施方式
19.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
20.请参阅图1-3，本实用新型实施例中，一种基于表面等离激元共振原理的演示实验装置，包括工作台1和调节组件，工作台1上端设有活动窗14；
21.工作台1上端位于活动窗14一侧依次设有偏振片12和激光器9，工作台1上端位于活动窗14另一侧设有机械转台7，机械转台7上设有与偏振片12和激光器9相对应的流通池5和耦合器件6；机械转台7由分厘尺驱动，其分度为0.01mm。机械转台7由分厘尺驱动，其分度为0.01mm。半导体激光器9发出的单色光经由偏振片12形成p偏振光，沿玻璃半球入射到金膜上，激发表面等离激元。增大光线的入射角度，当玻璃中的全反射光产生的隐失波的频率和金膜表面电子振荡的固有频率和波矢一致时，则二者发生共振，此时反射能量最小。金属中电子的振动使电磁波沿着平行于金属表面各个方向传播，因而返回到玻璃中的光波不只在入射面内，而是沿着与表面法线夹角相同各个方向，在一定的距离上用光屏接收就观察到一个亮的圆环。
22.由于平行于金属膜表面传播的隐失波对电介质的折射率非常敏感，因此可利用此特性对液体的折射率进行测量。当电介质折射率发生细微变化时，共振吸收峰的位置也会发生相应的改变。设计实验装置的关键部分由导光介质棱镜、金属层以及待测的环境介质构成。将耦合器件6的金膜与流通池5密封固定在一起。其中，流通池5采用石英玻璃材质，定制容积为25μl。p偏振光以一定的角度经由棱镜入射到金膜表面，在界面处发生全内反射，产生隐失波，反射光被光电探测器接收。液体浓度及折射率的变化会引起反射光强的变化。当达到表面等离激元共振时，入射光波能量被金属薄膜表面电子吸收，反射光能量急剧下降，形成反射光强吸收峰，且在共振角附近出现反射谷。理论推导可知，当满足共振条件时，入射共振角满足：
[0023][0024]
其中，re为金属薄膜电容率实部，nd为待测液体折射率，n为棱镜折射率。当待测液体折射率发生改变时，共振角度会发生漂移，通过检测共振角度的变化可以得到折射率的改变信息。
[0025]
耦合器件6包括包括反射镜和设置在反射镜一侧的玻璃片，反射镜为半球玻璃，玻璃片上镀有金膜；金膜厚度为50nm；装置通过改变入射角度的方式来调制表面等离共振。耦合器件6的导光介质棱镜采用半球形的k9玻璃，舍弃了传统的三棱镜结构，这样的设计方便学生直观地观察到表面等离激元环现象，同时在此基础上直接进行液体折射率的测量，而无需更换耦合器件。
[0026]
调节支架8底端通过导轨件与活动座2上端面滑动连接，调节支架8顶端通过铰接件与激光器9下端部铰接；偏振片12底端设有固定夹11，固定夹11通过螺丝件与偏振片12可拆卸连接，固定夹11贴近活动座2一侧通过连接架杆与活动座2固定连接；
[0027]
工作台1上端位于活动窗14另外两侧铺设有滑轨13，滑轨13上设有活动座2，活动座2置于激光器9下方并通过调节支架8与激光器9活动连接，其下端连接有用于驱动其移动的调节组件；
[0028]
调节组件包括螺杆15和转动电机3，螺杆15置于活动窗14下方，其两端与工作台1内壁两侧转动连接，转动电机3固定在工作台1外壁一侧，其输出端穿过工作台1侧板与螺杆15固定连接，螺杆15杆身外设有配合块4，配合块4上端穿过活动窗14与活动座2下端面固定连接；转动电机3带动螺杆15转动，螺杆15在转动中带动配合块4沿杆身进行移动，在移动中带动活动座2在滑轨13上进行滑动，从而调节激光器9、偏振片12同耦合器件6的间距。
[0029]
本实用新型的工作原理是：
[0030]
1.接通电源，调节激光光束与耦合器件6等高共轴。为了尽量消除耦合器件6产生的阿贝误差，应对耦合器件6的位置进行调整。旋转耦合器件6与入射光成不同的角度，同时观察入射光的光点是否处于玻璃半球的中心位置，若旋转过程中光点发生明显移动，则调整玻璃半球的位置，直至光点在旋转过程中基本不发生改变。
[0031]
2.实验时，先调节玻璃半球与入射光垂直，并记录此时机械转台7上的角度值。旋转机械转台7，同时在反射光方向放置白屏接收图像，则可看到表面等离激元环。
[0032]
3.向流通池5通入不同浓度的溶液，改变入射角度，检测反射光的归一化强度随入射角的变化情况，每间隔0.5度记录一次反射光强值，并求得反射光强度最小时对应的入射角，即共振角。每次变换液体浓度测量前需保证液体流通三分钟以上，得到实验数据。
[0033]
4.搭建了一套表面等离激元共振演示实验装置，利用该套实验装置达到了对表面等离激元环现象进行观察的目的，也对不同浓度的液体折射率进行了测量。从实验结果看，测得的折射率与文献中折射率比较接近。此外，计算得到该装置测量液体折射率的灵敏度以及分辨率的结果虽然与商用的表面等离激元共振传感仪器有一定差距，但可以满足教学应用，结构简明，便捷使用。
[0034]
对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0035]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当
将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。