بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله به موضوع تحریک پلاریتون پلاسمون هاي سطحی - spp - بر روي سطح فلز نقره می پردازیم. براي این کار لایه ي بسیار نازکی از فلز نقره که بر روي وجه یک منشور لایه نشانی شده، را در معرض باریکه ي لیزري با دو طول موج متفاوت - قرمز و سبز - قرار داده ایم و بازتاب نور را از سطح فلز در زوایاي مختلف براي هر دو طول موج ثبت کرده ایم. افت در بازتابش که بعد از زاویه ي حد - در مرز محیط منشور - مشاهده می شود، نشان دهنده ي تحریک spp در این زاویه براي یک پرتو TM - میدان مغناطیسی عمود بر صفحه ي تابش - فرودي است.
افت پرتو بازتابش براي تابش در فرکانس هاي نزدیک به فرکانس تشدید پلاسمون سطحی - - بیشتر از دیگر فرکانس هاي تحریک است و نشان دهنده ي تولید پلاریتون پلاسمون هاي سطحی با محدود شدگی بیشتر به سطح مشترك فلز- هوا است. در واقع در این شرایط میزان نفوذ spp ها در هوا کاهش و در فلز افزایش می یابد.
مقدمه
سطح مشترك فلز – دي الکتریک، نوسانات پلاسما را پشتیبانی می کند. این نوسانات چگالی بار که در طول سطح مشترك فلز – دي الکتریک می باشند را پلاریتون پلاسمون هاي سطحی - - spp می نامند. کوانتوم این نوسانات تحت عنوان پلاسمون هاي سطحی شناخته می شوند. این spp ها با پرتو لیزري با قطبش TM در مرز مشترك فلز و دي الکتریک تحریک می شوند. این امواج سطحی در جهت عمود بر انتشار خود در دو محیط دي الکتریک و فلز به صورت نمایی میرا می شوند. تضعیف نمایی میدان spp را می توان به وسیله ي حل معادلات ماکسول براي سطح مشترك فلز– دي الکتریک نشان داد.2 همچنین با حل معادلات ماکسول می توان نشان داد که ثابت انتشار موج پلاریتون پلاسمون هاي سطحی که آن را با نشان می دهیم، از رابطه ي زیر بدست می آید:
که در آن به ترتیب ثابت دي الکتریک فلز و دي الکتریک را نشان می دهند. فرکانس نور فرودي و سرعت نور را نشان می دهد. معادله ي بالا به این موضوع اشاره دارد که ویژگی هاي بردار موج پلاسمون سطحی به هر دو محیط فلز و دي الکتریک وابسته است.
ثابت انتشار امواج نوري با فرکانس که در هوا منتشر می شود، از رابطه ي زیر بدست می آید:
با توجه به رابطه - 1 - ، ثابت انتشار spp ها از ثابت انتشار نور در هوا بزرگتر است - شکل. - 1 از این رو نور در هوا نمی تواند spp ها را در سطح مشترك فلز – دي الکتریک تحریک نماید. درنتیجه براي تحریک پلاریتون پلاسمون هاي سطحی، تکانه و پس از آن بردار موج نور می بایست توسط محیط دي الکتریک افزایش یابد.یکی از راههاي افزایش ثابت انتشار موج نور، استفاده ازمنشور می باشد. بهترین پیکربندي اي که براي این کار پیشنهاد شده است،
به پیکر بندي کریشمن – ریدر مشهور می باشد .3 در این پیکربندي بر روي سطح تحتانی منشور، لایه ي نازکی از فلز می نشانیم و از وجه مجاور آن ، باریکه ي نور را می تابانیم
شکل: 1 نمودار پاشندگی براي امواج پلاریتون پلاسمون هاي سطحی و انتشار نور در هوا و شیشه - خطوط مستقیم - . فرکانس پلاسماي حجمی براي فلز،ثابت انتشار spp ها، c سرعت نور و فرکانس تشدید پلاسمون هاي سطحی در مرز فلز- هوا و شیشه – فلز می باشد.قسمتی از نمودار پاشندگی پلاسمون هاي سطحی در مرز فلز- هوا که در سمت چپ خط نوري شیشه قرار دارد، تحریک می شود.
شکل:2 شمایی از پیکربندي کریشمن- ریدر مورد استفاده براي تحریک پلاریتون پلاسمون هاي سطحی.
روش آزمایش
ما در این آزمایش از منشور نیمه استوانه اي شیشه اي - شیشه ي غیر اپتیکی - براي تحریک پلاریتون پلاسمون هاي سطحی در لایهي نازکی به ضخامت حدود 60nm از فلز نقره استفاده کرده ایم. سطح تخت منشور را با فلز نقره لایه نشانی کرده و آن را برروي صفحه ي گردان یک اسپکترومتر قرار داده و صفحه ي گردان را با یک تسمه به محور یک موتور الکترکی گیربکس دار با دور پایین مرتبط ساختیم به گونه اي که با چرخش محور موتور الکتریکی، صفحه ي گردان و به دنبال آن منشور لایه نشانی شده نیز با آن بچرخد. آشکارساز را بر روي دسته ي متحرك اسپکترومتر نصب کرده و از این طریق می توانستیم در هر زاویه اي، شدت نور بازگشتی از منشور را بررسی نماییم. چیدمان آزمایش را در شکل 3 مشاهده می نمایید.
در موقعیتی که نور بازتابی بعد از زاویه ي حد کمینه شود، به این معنی است که بیشترین جذب را داشته است و انرژي پرتو تابشی صرف تحریک spp ها شده است. لازم به ذکر است با اینکه پرتو از محیط زیر لایه ي نقره - منشور - به این لایه تابیده می شود، spp ها در مرز بین فلز و بستر شیشه اي - وجه تخت منشور نیمه استوانه اي - ایجاد نمی شود و در عوض در سطح مشترك فلز و هوا به خاطر ارضاء جور شدگی فاز بین موج تابشی و spp ها ایجاد می شوند.
نتیجه آزمایش
شکل هاي 4 و 5 تغییرات بازتاب نور بازگشتی از منشور را به ازاي زوایاي تابش به ترتیب براي دو لیزر با طول موج 632/8nm و 532nm نشان می دهد. تحریک پلاریتون پلاسمون هاي سطحی در زاویه اي رخ می دهد که بیشترین افت نور بازتابی داریم. تحریک spp ها به هنگام استفاده از لیزر نور سبز در زاویه ي تابش 41/2 درجه و به هنگام استفاده از لیزر نور قرمز در زاویه ي تابش 39/6 درجه رخ داد.
شکل:3 شمایی از چیدمان آزمایش تحریک spp ها با روش منشوري در آزمایشگاه. -1 لیزر، -2 آشکارساز، -3 مولد آشکارساز، -4 منشور و صفحه ي مدرج، -5 موتور الکتریکی گیربکس دار، -6 مولد موتور الکتریکی
در این آزمایش از لیزر هلیم- نئون نور قرمز با طول موج 632/8nm و لیزري با نور سبز با طول موج 532nm استفاده کرده ایم. نور لیزر می بایست قطبش TM داشته باشد زیرا در این صورت است که می تواند پلاریتون پلاسمون هاي سطحی را تحریک نماید. نخست زاویه ي حد را در منشور پیدا می کنیم.
شکل:4 افت نور بازتابی از منشور در زوایاي مختلف با استفاده از لیزر نور سبز . 532nm
تفاوت در زاویه ي تحریک پلاریتون پلاسمون هاي سطحی براي دو نور سبز و قرمز به این موضوع برمی گردد که زاویه ي حد براي منشور براي نورهاي سبز و قرمز با یکدیگر متفاوتند.
