[发明专利]表面等离子共振测量装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用表面等离子共振原理来测量微小间隙宽度、位移或相对位置的装置和方法，尤其涉及一种应用于纳米级间隙、位移或相对位置的表面等离子共振测量装置和方法。

背景技术

长久以来，科学界在光学测量方法中，都是以光学干涉法的测量技术为主，通过分析干涉条纹的些许变化，可计算出相对物体的位移变化量(displacement shift)，且仪器的精密度越高，越可检测出更微小的位移变化。但对于纳米级间隙宽度(gap width)的测量方法，却始终难以获得突破性发展。究其原因应是利用光学干涉法来测量微小间隙的技术，会受限于间隙宽度在二分之一波长以下时，没有干涉图纹的困境，导致以一般可见光所进行的测量方法，难以测量宽度小于300nm以下的间隙，更不用说小于100nm或10nm以下纳米等级的间隙。

美国麻省理工学院的研究群曾利用所谓「chirped-Talbot effect」来进行纳米间隙的测量，指出其方法的灵敏度可达到1nm以下；然而，其可测量范围却在30μm到1μm左右。基于此，为了克服光学方法测量物体间隙宽度无法突破二分之一波长的干涉限制，本发明提出以「表面等离子共振」方法，来测量两个物体间纳米级间隙宽度、位移变化和相对位置。

所谓「表面等离子共振」现象，是一种金属表面电子的集体性震荡行为，是利用与入射面平行的横磁(Transverse Magnetic；TM)模式光经由棱镜等物件耦合之后，因棱镜另一面镀有金属薄膜(一般为金或银)，即会在金属表面处产生表面等离子波，当其中入射光波向量与在此一含金属薄膜界面的介质材料的表面等离子波波向量相等时，即产生共振现象，此时入射光将能量转移至发生表面等离子共振现象的界面上，使得反射光强度(或称反射率)急剧下降，如图1所示。表面等离子共振现象发生的特征为：当入射光满足表面等离子共振条件时，其共振角B发生在大于全反射临界角A的特定角度下(本例约44度)，此时大部分入射光能量被吸收，甚至是几乎被完全吸收，所以在共振角B时其反射光强度(或反射率)为最低，且理论上可降至零。

当入射光波向量如下列式(1)与表面等离子波波向量如下列式(2)，二者相等时为波向量匹配，可发生表面等离子共振现象，而将入射光能量转移给表面等离子波。事实上，只有符合特定条件(如特定入射角或特定波长)，才能产生表面等离子共振现象。其中入射光波向量，可表示为

k_x＝k_on_p sinθ    (1)

其中k_x表示入射光平行于金属与棱镜界面波向量分量，k₀为真空中的波向量k₀＝ω/c＝2π/λ，ω是角频率，c是光速，λ是入射光波长，θ为光线入射角，n_p是棱镜的折射率。而表面等离子波向量k_sp表示为