SPP教學儀器

 基于表面等離激元散射的

顯微成像與傳感教學儀器

SPP 主題版 · 教學實驗系統

Surface-Plasmon-Enhanced Scattering Microscopy

and Sensing Educational Platform

產品概述

本SPP教學儀器面向現代光學、薄膜光學、納米光子學、顯微成像和光學傳感等課程教學。系統利用一維光子晶體調控入射光的角譜與偏振組成，使滿足動量匹配條件的 TM 偏振分量在金膜/介質界面激發表面等離激元極化激元（SPP），并通過顆粒對界面近場的散射實現顯微成像和動態傳感。照明、耦合、樣品、成像與數據采集模塊均可獨立調節，適用于基礎原理驗證和綜合實驗訓練。 

一維光子晶體耦合的表面等離激元增強散射成像原理

 核心特點

1.                      模塊化：照明、樣品、成像和檢測模塊均可獨立拆裝；

2.                      片上SPP耦合：利用一維光子晶體調控高波矢TM分量，在金膜/介質界面建立表面等離激元近場；

3.                      低相干照明：降低激光散斑對教學觀察的干擾；

4.                      理論與實驗貫通：可從傳輸矩陣、角譜、SPP色散推導到成像與傳感；

5.                      數據可量化：支持透射率、數值孔徑、圖像對比度、散射強度和傳感響應計算。

一、基本原理

在一維光子晶體透射的光場中，橫磁偏振（TM）分量在滿足金膜與上方介質界面的動量匹配條件時，可耦合形成表面等離激元極化激元（surface plasmon polariton，SPP）。SPP 是沿金屬—介質界面傳播、并在垂直界面方向呈指數衰減的表面電磁模式。

本儀器采用“低相干 LED 光源—散射層—一維光子晶體—金膜/SPP 界面—顯微物鏡—管鏡—科研相機”的模塊化光學鏈路。

低相干紅色 LED 發出的照明光首先入射至散射層。散射層對入射光進行多次隨機散射，使原本有限角度范圍內的光束轉化為具有寬角度分布和多偏振分量的角譜，為后續一維光子晶體的動量空間篩選提供豐富的入射波矢分量。與高相干激光照明相比，低相干 LED 可有效減弱散斑噪聲及相干干涉偽影，有利于獲得背景更加均勻、穩定性更高的顯微圖像。

待測顆粒放置于金膜表面或位于表面等離激元的有效近場作用范圍內。當顆粒受到SPP近場照明時，其折射率、尺寸、形貌或表面狀態會對局部電磁場產生擾動，并將部分表面模式能量散射或耦合為可向遠場傳播的光信號。顆粒的散射強度及其隨時間的變化，可用于表征顆粒尺寸、聚集狀態、吸濕過程、化學反應以及局部環境折射率變化等信息，可實現微納顆粒成像、定量檢測及動態傳感。

基于一維光子晶體耦合的表面等離激元散射顯微成像與傳感系統

普通暗場成像與 SPP增強散射成像對比

二、五大核心教學實驗

本SPP教學儀器設計了五大遞進式實驗模塊，從系統搭建到前沿應用，完整覆蓋表面等離激元光子學的核心知識點，適合本科高年級及研究生階段的實驗教學。

實驗一：片上SPP散射顯微系統的建立

【實驗目的】

認識片上SPP散射顯微鏡的完整光學鏈路，掌握散射層、一維光子晶體、金膜樣品界面和顯微成像模塊的安裝關系，建立可重復的顆粒散射成像基準。

【核心要點】

● 低倍物鏡下建立普通成像基準，確認焦面與視場中心

● 安裝散射層—1DPC—金膜完整結構，調節樣品高度與橫向位置

● 選擇目標ROI與背景ROI，計算平均強度、標準差、SBR和SNR

● 通過空白背景、標準顆粒和缺層結構對照判斷系統穩定性

實驗二：表面等離激元增強耦合條件

【實驗目的】

理解TM高角度分量與金膜界面SPP的耦合關系，觀察金膜表面或近場范圍內顆粒的散射信號，驗證表面等離激元增強散射的物理機制。

【核心要點】

● SPP只能由滿足偏振與動量條件的電磁場有效耦合（動量匹配條件）

● 加載低濃度標準顆粒樣品，采集多個視場記錄亮點數量與積分強度

● 改變偏振、照明波長或芯片方向，比較散射信號變化

● 使用空白基底、無金膜基底作為對照實驗，嚴格歸因SPP增強效應

納米顆粒及材料反應成像

實驗三：顆粒尺寸與散射強度標度

【實驗目的】

使用不同粒徑的標準顆粒建立散射強度標定曲線，討論Rayleigh散射與背景干涉項對標度指數的影響，掌握定量散射成像的數據分析方法。

【核心要點】

● 對每種粒徑選取不少于20個孤立顆粒進行統計

● 使用相同ROI計算背景扣除后的積分強度

● 繪制散射強度—粒徑曲線，用線性回歸估計標度指數

● 討論飽和效應、顆粒重疊與選擇偏差對測量結果的影響

顆粒直徑與散射強度的示例關系

實驗四：顆粒吸濕與光學傳感

【實驗目的】

通過相對濕度變化引起的顆粒尺寸或折射率變化，獲得散射強度隨環境參數變化的傳感曲線，理解光學傳感的基本原理與性能評價方法。

【核心要點】

● 在穩定低濕條件下采集基線，分級提高RH并等待系統穩定

● 升濕后執行降濕過程，觀察傳感響應的滯后效應

● 對同一顆粒進行配準，計算歸一化響應曲線

● 繪制強度—RH曲線，討論轉變點、重復性和滯后特性

顆粒吸濕散射強度變化

實驗五：材料反應或界面過程實時監測

【實驗目的】

利用散射強度、顏色或形貌隨時間的變化，研究納米材料反應、溶解、聚集、吸附或界面轉變過程，體驗SPP顯微技術在前沿科研中的應用。

【核心要點】

● 實時監測納米顆粒在化學反應過程中的散射強度變化

● 觀察顆粒溶解、聚集或吸附過程的動態行為

● 結合時間序列分析，提取反應動力學參數

● 探索界面轉變過程的光學表征新方法

顆粒與材料狀態變化成像

三、教學價值與課程適配

實驗課程目標

  1. 說明一維光子晶體的角度選擇性及其對SPP耦合所需高波矢TM分量的調控作用

  2. 使用傳輸矩陣或實驗數據分析TE/TM透射響應

  3. 建立表面等離激元動量匹配、近場作用與顆粒增強散射的物理圖像

  4. 獨立完成光路調節、圖像采集、定量分析和不確定度討論

  5. 按課程論文格式撰寫包含摘要、方法、結果、討論和參考文獻的實驗報告

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