[發明專利]基于表面等離子體共振的金屬膜測量裝置及測量方法

有效

• 申請號: 201711310751.3
• 申請日: 2017-12-11
• 公開（公告）號: CN108169183B
• 公開（公告）日: 2021-02-02
• 發明（設計）人: 胡國行;單堯;羅陽;賀洪波;趙元安;邵建達
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: G01N21/552
• 分類號: G01N21/552
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

一種基于表面等離子體共振的金屬膜測量裝置，包括等腰直角三棱鏡，在所述的等腰直角三棱鏡的底面依次鍍有亞微米量級厚度的介質膜和待測金屬膜層，并浸入在溶液中。轉動橢偏儀的發射臂角度，使等腰直角三棱鏡與介質膜界面處的入射光角度大于該界面的全反射臨界角度，滿足激發表面等離子體共振的條件，在待測金屬薄膜表面激發表面等離子體共振。測量不同入射波長對應的光的振幅比Ψ和相位差Δ，擬合振幅比Ψ和相位差Δ與入射波長的關系曲線，計算反演得到待測金屬膜層的厚度和光學常數。本發明同時具有共振中心波長可調諧、可測量金屬膜層厚度的范圍大、擬合參數少等優點，在精確表征超薄薄膜的光學常數和檢測生化物質成分領域具有很大的應用潛力。

技術領域

本發明涉及金屬膜的測量技術，特別是一種基于表面等離子體共振的金屬膜測量裝置及測量方法。

背景技術

表面等離子體共振技術可用于測量金屬薄膜的光學常數。目前常用于激發表面等離子體共振的結構有Kretschmann結構和Otto結構，但這兩種結構因為存在各自的不足之處而在實際應用中受到相應的限制。Kretschmann結構中，待測金屬膜層鍍制在直角棱鏡的底部，入射光經直角棱鏡的一個直角面入射，在經棱鏡的底面反射后從棱鏡的另一個直角面出射。但是，在Kretschmann結構中，待測金屬膜層的厚度范圍受到一定的限制，且此結構激發表面等離子體共振所對應的中心波長難以調節到可見光范圍內，而可見光范圍內金屬薄膜的光學性質則是人們關注的焦點。在Otto結構中，棱鏡與待測金屬膜層之間存在一定厚度的空氣隙，當入射光波以大于全反射臨界角的角度入射到棱鏡-空氣界面時，會在棱鏡-空氣界面發生全反射。發生全反射時，由于光子在界面處的隧穿效應，會有光透入光疏介質中，稱為消逝波。當消逝波波矢的水平分量與金屬薄膜表面等離子體波的波矢相等時，金屬表面的等離子體波和消逝波耦合產生表面等離子體共振。Otto結構中，空氣隙厚度難以精確控制，因此在擬合過程中需要擬合空氣隙的厚度，并且這種結構測量結果的重復性較差，影響金屬薄膜光學常數的表征精度。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術的不足，提供一種基于表面等離子體共振的金屬膜測量裝置及測量方法，在具有高折射率的等腰直角三棱鏡與待測金屬膜層之間鍍制一層具有低折射率的亞微米量級厚度的介質膜。當入射光在等腰直角三棱鏡的底面與亞微米量級厚度的介質膜界面上的入射角大于該界面的全反射臨界角時，光在界面處發生全內反射。發生全反射時，由于光子在界面處的隧穿效應，存在消逝波穿透此界面進入介質膜內。待測金屬膜層表面存在自由振蕩的表面等離子體，在外場作用下形成表面等離子體波，當消逝波波矢的水平分量與待測金屬膜層表面等離子體波的波矢相等時，會在界面處形成表面等離子體共振，入射光波的能量被吸收。通過測量被表面等離子體共振吸收所放大的反射光的振幅變化信息和相位差變化信息可以反演出待測超薄薄膜的厚度和光學常數。

為了解決上述技術問題，本發明的技術方案具體如下：

一種基于表面等離子體共振的金屬膜測量裝置，包括等腰直角三棱鏡，其特點在于：在所述的等腰直角三棱鏡的底面依次鍍有亞微米量級厚度的介質膜和待測金屬膜層，并浸入在溶液中。

所述的等腰直角三棱鏡的折射率為1.5～1.7，所述的介質膜的折射率為1.2～1.4，所述的溶液的折射率為1.3～1.6，所述的溶液的消光系數為0。

當入射光在等腰直角三棱鏡的底面與亞微米量級厚度的介質膜界面上的入射角大于該界面的全反射臨界角時，光在界面處發生全內反射，同時存在消逝波透過此界面進入介質膜內。當消逝波波矢的水平分量與待測金屬膜層表面等離子體波的波矢相等時，激發表面等離子體共振。

所述橢偏儀發射臂的光束入射到所述等腰直角三棱鏡的一直角面，經該等腰直角三棱鏡的底面反射后，從該等腰直角三棱鏡的另一直角面出射到橢偏儀接收臂。