Явление поверхностного плазмонного резонанса (ППР) в оптическом диапазоне длин волн, по всей видимости, впервые было рассмотрено Отто [9], а затем Кречманом [10]. Они предложили две схемы возбуждения поверхностных плазмонов – волн переменной плотности свободных электронов в тонких металлических пленках – с помощью полного внутреннего отражения (ПВО). Образующаяся при этом над границей раздела эванесцентная (затухающая) [11] волна (рис. 1) проникает сквозь тонкий слой металла, и на границе раздела металл-диэлектрик (4-5) вследствие этого происходит возбуждение поверхностных плазмонов. Эффективность этого возбуждения зависит от толщины металлической пленки 4. Подбирая угол падения излучения θ_i на границу раздела стекло-металл, можно достичь возникновения резонанса, при котором большая часть или даже вся энергия падающего излучения будет расходоваться на возбуждение поверхностных плазмонов, и интенсивность отраженного света будет стремиться к нулю, несмотря на выполнение условия ПВО.

Рис. 1. Схема Кречмана для возбуждения поверхностных плазмонов с помощью полного внутреннего отражения света: 1 – падающий пучок, 2 – отраженный пучок, 3 – стеклянная призма, 4 – металлическая пленка, 5 – исследуемая среда, 6 – эванесцентная волна, 7 – поверхностные плазмоны

Рис. 2. Зависимости коэффициента отражения возбуждающего света от угла его падения на внутреннее основание призмы для геометрии Кречмана при разных значениях толщины золотой пленки (от 10 до 90 нм)

Из рис. 2 видно, что угол ППР (в данном случае он составляет 66,86°) не зависит от толщины пленки. Он определяется в основном соотношением показателей преломления стекла призмы, металлической пленки и исследуемой среды. Также из рис. 2 видно, что существует некоторое оптимальное значение толщины металлической пленки (различное для разных металлов), которое соответствует нулевому коэффициенту отражения при условии ППР.

Исследование оптических явлений, относящихся к электромагнитному отклику металлов, недавно получило название плазмоники или наноплазмоники [12]. В рамках этой области науки изучаются не только поверхностные плазмоны (локализованные в плоскости), но и колебания электронов проводимости в металлических наноструктурах и наночастицах (локализованные в объеме). Основной отличительной чертой явлений в наноплазмонике является сочетание сильной пространственной локализации электронных колебаний с их высокой частотой. Сильная локализация приводит к гигантскому увеличению локальных электрических и оптических полей, причем свойства локализованных плазмонов сильно зависят от формы наночастиц. Эти важнейшие свойства уже позволили обнаружить целый ряд новых эффектов. Прежде всего, гигантские локальные поля вблизи наночастиц приводят к увеличению сечения комбинационного рассеяния на 10-14 порядков, что позволяет говорить о возможности наблюдения отдельных молекул. Используя сложную структуру спектров плазмонных наночастиц, можно одновременно усиливать как поглощение, так и испускание света ими и, таким образом, создавать эффективные флюорофоры и наноразмерные источники света, в том числе нанолазеры. Помимо этих новых приложений использование достижений наноплазмоники позволяет существенно увеличить соотношение эффективность-стоимость, например, в солнечных батареях и светоизлучающих диодах. И, наконец, считается, что наноплазмоника позволит создать новую элементную базу для компьютеров и устройств обработки данных за счет использования малых размеров металлических наноструктур и оптического быстродействия происходящих в них процессов [13].

В работе [14] приведено описание оптических свойств поверхностных плазмонов, различные схемы микроскопии и визуализации на основе поверхностных плазмон-поляритонов, подробно описано явление рассеяния поверхностных плазмонов на различных неоднородностях, которое также может лежать в основе оптических методов исследования параметров конденсированных сред.

Возвращаясь к методу ППР, можно сказать, что он обладает хорошей чувствительностью к изменению параметров эксперимента, например, угла падения излучения или свойств среды, контактирующей с металлической пленкой, поэтому позволяет регистрировать достаточно малые отклонения этих параметров от резонансных значений. Чаще всего в экспериментах используется модификация этого метода, при которой измеряется кривая зависимости коэффициента отражения от угла падения, например, путем сканирования [15]. Это позволяет определять показатель преломления исследуемой среды с погрешностью до 10^-6, а в случае применения интерференционного метода ППР – до 10^-8 [16, 17]. В основном такая техника используется в биомедицинских исследованиях, где требуется определять константы связывания антител к антигену [18]. В этом случае к поверхности металлической пленки ковалентно прикрепляются молекулы антигена, после чего исследуется взаимодействие растворов антител различной концентрации с этой поверхностью. Иллюстрация принципа действия такой установки показана на рис. 3. При освещении внутреннего основания полуцилиндрической призмы, покрытого золотой пленкой с прикрепленными молекулами-мишенями (чаще всего белками, на рисунке они показаны синими дисками с вырезанными секторами) поляризованным сходящимся пучком в отраженном свете наблюдается минимум интенсивности в определенном угле. После того, как через рабочую камеру пропускается раствор, содержащий молекулы, являющиеся потенциальными партнерами для данного белка (красные сектора), они постепенно реагируют с молекулами-мишенями. При этом меняется показатель преломления непосредственно прилегающей к металлической пленке среды, вследствие этого меняется и угол, соответствующий минимальной интенсивности в отраженном свете. Измеряя эту зависимость, можно определить скорость протекания исследуемой биохимической реакции.

Рис. 3. Пример использования ППР для биомедицинских исследований [19].

Следует отметить, что метод ППР является весьма гибким инструментом для исследования межмолекулярных взаимодействий и может легко подстраиваться под задачи конкретного эксперимента. Например, в [20] описана методика применения явления ППР для измерения в реальном времени толщины напыляемой на образец пленки TiO₂ с помощью сенсора, изготовленного из многомодового оптоволокна, часть которого плоско отшлифована и покрыта пленкой золота толщиной 40 нм для создания условий ППР. В работе [21] описана схема применения ППР, с помощью которой получена разрешающая угловая способность 0,001°, которая соответствует объемной концентрации этанола в воде 0,01% и NaCl  в воде 0,0015%. В [22] описана схема для контроля процесса обесцвечивания полимера под действием УФ излучения, основанная на явлении ППР. Эта схема отражательного типа использует генерацию второй гармоники на границах раздела металл-полимер и металл-кварц.

В статье [23] описаны возможности применения метода ППР для исследования свойств жидкостей, в частности, в процессах перемешивания, диффузии и конвекции, а также измерения распределения температуры в пристеночном слое жидкости и визуализации самосборки наночастиц из раствора. Показано, что пространственное разрешение метода в плоскости раздела сред составляет несколько микрометров, а в перпендикулярном направлении может достигать одного нанометра. Относительная погрешность измерений концентрации, солености или температуры обычно лежит в пределах 5%.

Авторами данной статьи предлагается использовать метод ППР для визуализации динамики и количественной диагностики процессов тепло- и массообмена и фазовых переходов (испарения и кристаллизации) в каплях жидкостей. Для этого планируется применить модификацию метода, при которой в качестве возбуждающего ППР излучения используется широкий коллимированный лазерный пучок. В этом случае измеряется не спектр отраженного излучения или зависимость коэффициента отражения от угла падения, а распределение интенсивности по сечению отраженного пучка. Это позволяет определить не только распределение показателя преломления в пристеночном слое жидкости, но и визуализировать размер и форму связанных с изменением физических параметров оптических неоднородностей, а также визуализировать динамику протекания исследуемых процессов. С этой целью была спроектирована и создана экспериментальная установка, описанная ниже.