1.2.1 棱镜耦合

由图1.2可知，通过增加光波沿金属-介质界面的波矢分量，可以实现光波对SPW的激发，较简单的方法是将光波射入具有高折射率的透明传输介质（通常为玻璃棱镜），并在该传输介质与其他物质的界面（金属层或介质缓冲层）进行反射，以增加沿金属-介质界面的波矢分量。然而，该波矢分量的增加改变了光波垂直于金属-介质界面的波矢分量，使光波在金属-介质界面形成了倏逝波并用于激发 SPW，使反射光强度大大减弱，由于这种现象只在全反射时才会发生，因此这种现象被称为衰减全反射，这就是棱镜耦合装置的工作原理。由于棱镜耦合装置的工作原理简单并易于实现，目前该装置已被广泛应用于实验研究和商业化产品中。

根据与棱镜接触物质的不同，棱镜耦合SPR装置可分为两类：Otto装置（介质的缓冲层通常为空气）和Kretschmann装置（金属），如图1.3所示。在Otto装置中，衰减全反射产生的倏逝波会透过缓冲层并激发金属-介质界面的SPW，以实现对SPR现象的激发。在该装置中，金属层厚度在一定范围内变化对 SPW 的激发没有影响，但是需要对缓冲层的厚度进行控制，一般为几百纳米或微米量级。如果缓冲层太厚，倏逝波将无法有效透过缓冲层激发 SPW；如果缓冲层太薄，虽然倏逝波可以较好地激发 SPW，但是棱镜会通过改变缓冲层的电磁场分布而影响SPW的电磁场分布和对介质变化检测的敏感度。

图1.3 棱镜耦合SPR装置

与Otto装置不同，在Kretschmann装置中，金属层和棱镜会直接接触，衰减全反射产生的倏逝波只需要透过金属层就可以激发SPW，其电磁场分布几乎不受棱镜的影响，不过对金属层的厚度变化比较敏感。由于这种装置原理更简单、更易制备，因此在基于棱镜耦合装置的SPR传感器中使用较广泛。

基于Kretschmann装置的棱镜耦合原理如下：设棱镜的折射率为n0，光波在棱镜内的入射角为θ0，衰减全反射产生的倏逝波沿金属-介质界面的波矢分量为kx=（ω/c）n0sinθ0（见图1.3）。图1.4所示为Kretschmann装置以空气作为介质时棱镜耦合SPR装置与SPW的色散曲线。从图中可以看出，光波通过棱镜后，kx的增大使色散曲线的斜率降低并与SPW的色散曲线产生了交点，从而使光波激发SPW并产生SPR现象成为可能，此时的波矢匹配条件如下：

式中，Re为复数的实部。

图1.4 Kretschmann装置以空气作为介质时棱镜耦合SPR装置与SPW的色散曲线