表面等离子体激元简介报告.docx
（完整word版）表面等离激元
（完整word版）表⾯等离激元表⾯等离⼦体共振波长1.共振波长的基本求解思路表⾯等离激元(SP)是指在⾦属和电介质界⾯处电磁波与⾦属中的⾃由电⼦藕合产⽣的振动效应。
它以振动电磁波的形式沿⾦属和电介质的界⾯传播，并且在垂直离开界⾯的⽅向，其振幅呈现指数衰减。
表⾯等离激元的频率与波⽮可以通过⾊散关系联系起来。
其垂⾄于⾦属和电解介质界⾯⽅向电磁场可表达为:式中表⽰离开界⾯的垂直距离，当时取+，时取⼀。
式中为虚数，引起电场的指数衰减。
波⽮平⾏于⽅向，，其中为表⾯等离⼦体的共振波长。
由表达式可见，当时，电磁场完全消失，并在时为最⼤值。
函数，以及电介质的介电常数来求解表⾯等离激元的的⾊散关系，由公式: ，可得到等离激元⾊散关系式为: ，如果假设和都为实数，且，则可获得⼀个较为复杂的⾊散关系式其中， (从实部可以计算SPPs 的波长'2/x SPP K λπ=，SPPs 的传播距离SPP δ主要决定于虚部''2SPP SPPs k δ=2. ⾦属表⾯等离体⼦频率的求解当波⽮较⼤或者时，的值趋向于21P SP ωωε=+ 对于⾃由电⼦⽓，，是⾦属体电⼦密度，是电⼦有效质量，是电⼦电荷。
因此，随增⼤⽽减⼩。
(1)具有理想平⾯的半⽆限⾦属全空间内电势分布满⾜拉普拉斯⽅程：由于在⽅向上介质和⾦属都是均匀的，所以可令解的形式为得拉普拉斯⽅程的解由以及边界条件：可以得到介质与⾦属相对电容率之间的关系：,假设介质的相对电容率为与频率⽆关的常数，由⾦属相对电容率的表⽰式可知因此⾦属表⾯等离体⼦频率为当介质为真空时，得到⾦属表⾯等离体⼦频率为(2)⾦属中存在着⼤量的价电⼦，它们可以在⾦属中⾃由地运动．由于价电⼦的⾃由移动性及电⼦间存在着库仑相互作⽤，所以在⾦属内部微观尺度上必然存在着电⼦密度的起伏．由于库仑作⽤的长程性，导致电⼦系统既存在集体激发(即等离体⼦振荡)，也存在个别激发(即准电⼦)．⽽在⼩波⽮近似下只存在集体激发，故可以将电⼦密度的傅⾥叶分量作为集体坐标来描述这种关联，在k ⼀0的极限下，有式中为单位体积内的电⼦数．由此⽅程可以得到⾦属内等离体⼦振荡频率从以上讨论及推导可以看出，⾦属等离体⼦振荡实际上是在库仑作⽤参与下的⾼粒⼦数密度系统中电⼦的集体运动，等离体⼦就是电⼦集体振荡的能量量⼦．由于库仑势场是纵场，因此等离体⼦是纵振动的量⼦．以上所讨论的情况没有考虑到⾦属边界的影响，即认为⾦属是⽆限⼤的，计算得到的频率为块状⾦属中的体相等离体⼦频率．3.⾦属介电常数的求解(1)另外，根据Drude ⾃由电⼦⽓模型，理想⾦属的介电⽅程可写为: 22()1p i ωεωωτω=-- ,p ω是等离⼦体振荡频率,,τ是散射速率描述电⼦运动遭遇散射⽽引起的损耗， 161311.210/, 1.4510p rad s s ωτ-=?=?对于银,。
表面等离子体激元基本特征研究
[收稿日期]2007-04-28[作者简介]李继军(1972-),男,1996年大学毕业,硕士,讲师,现主要从事导波光学和大学物理方面的教学与研究工作。
O 长江大学科研发展基金项目(2006Z2074)表面等离子体激元基本特征研究李继军,吴耀德,宋明玉 (长江大学物理科学与技术学院,湖北荆州434023)[摘要]表面等离子体激元(Surface Plasmo n Polariton,SPP )是束缚在金属表面的一种电磁波模式。
研究了SPP 的基本原理,推导出它的色散方程,计算了在可见光到近红外区域的与SP P 有关的4个特征长度:SP P 波长、SP P 在界面上的传播距离以及SPP 在介质和金属中的穿透深度。
[关键词]表面等离子体激元;色散方程;波长;传播距离;穿透深度[中图分类号]O43715[文献标识码]A [文章编号]1673-1409(2007)04-N 046-04表面等离子激元(Surface Plasmon Polariton,SPP)是由光和金属表面自由电子的相互作用引起的一种电磁波模式[1]。
它局限于金属与介质界面附近,能形成增强近场。
SPP 对表面环境具有很高的灵敏度,被广泛地应用于生物传感上[2]。
传统光学器件受到衍射极限的制约,其尺度的微小化和集成度受到限制,但是SPP 的特征可以很好地突破衍射极限,为制造基于SPP 的集成光路应用于高速光通讯提供了可能。
由于以上原因及钠米制造和表征技术的兴起,目前对于SPP 的研究非常广泛。
笔者研究了SPP 的基本原理,推导出它的色散方程,重点讨论了它的4个特征长度O 。
图1 金属和介质的分界面1 色散关系如图1所示,金属和介质的分界面在z =0处,E d 是介质的介电常数,E m 是金属的介电常数。
SPP 沿X 方向传播,考虑它分别以横电波(Transverse Electric,T E)和横磁波(Transv erse Mag netic,TM )2种不同的偏振模式在界面上传播。
LSPR
Resonance (LSPR) 表面等离子体共振
等离子体（plasma）
• 正、负带电粒子数目 相等 ，是物质存在的与固态、液态和气态 并列的一种状态，称为物质的第四态。宇宙中大部分物质处于等 离子状态。
等离子体激元(Plasmon)
• 电子易运动，电子间存在长 程的库伦力相互作用。单个 电子的局域振动会引起体系 内电子运动的关联，造成电 子密度相对于正电背景集体 振荡，传播，但其能量是不 连续的，是量子化的。这个 量子化的能量便为等离子体 震荡量子，也就是等离激元 plasmon。
photon is called a surface plasmon polariton。
② 局限于金属颗粒或粗糙表面的局域表面等离激元LSPs (Localized surface plasmons) surface plasma excitations in bounded geometries are called
localized sur着表面方向传播
波矢匹配的 入射光产生 的消逝波会 与SPP产生
共振
LSPS
入射光与 LSP频率匹 配产生共
振
SPP LSPs
发生 界面
共振产生条件 （波矢匹配）
连续界面， L» λ
介质与表面材料介电常 数实部相反，且虚部绝
粗糙表面，或者颗粒，对值较小 L＜λ
频率和波数一致 频率一致
LSPR
Resonance
Selective resonance absorption
UV-Vis-NIR absorption
E
Field
enhancement
谢谢
第10讲_表面等离子体激元
SPP at Ag/SiO2
光频“X-ray 波长”!
Re(β)
• •
SPP波长可以在光频达到纳米级！得到亚波长约束 光不能直接在平板金属表面激发SPP。
19
怎样激发的? – 下一讲介绍
表面等离子体的基本性质：亚波长约束、局域场增强和反常色散
SPP的传播距离和损耗 三个特征尺度（重要！）：
振荡强度减小到1/e的传播长度
如果 > 0 且 < 0 会是哪种偏振？
<0 且 < 0 又是怎样？
13
画出SPP色散曲线
两个合理的前提条件: 1. 非色散介质: εd = 常数
md c m d
m
p2 2. 无衰减的Drude金属: m() 1 2
• 在低频ω: εm→−∞
(趋向电介质的light line)
10
两套独立的解:
用 Ey, Hx, Hz表示TE 解
Hz Hx Ey Ez
用 Hy, Ex, Ez表示TM 解
Hy
Ex
5
2014/2/24
对TM 的解:
kzEx i Ez i0Hy kzH y i0Ex iHy i0Ez
边界条件: Hy1 Hy2, Ex1 Ex2
('m> 0)
real β real ikz
c
禁带
介质中的色散曲线Light line
(d< 'm < 0)
imaginary β real ikz
sp
k1z k2z
z
2 E
c
kx kx
m d m d
('m < d)
表面等离子体激元简介
表面等离子体激元简介(共4页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--表面等离子体激元简介一．表面等离子体激元表面等离子体（Surface Plasmons）的出现提供了一种在纳米尺度下处理光的方式。
表面等离子体通常可以分成两大类——局域表面等离子体共振（Localized Surface Plasmon Resonance）和表面等离子体激元（Surface Plasmon Polaritons）。
局域表面等离子体共振专指电磁波与尺寸远小于波长的金属纳米粒子中的自由电子的相互耦合，这种等离子体只有集体共振行为，不能传播，但可以向四周环境辐射电磁波。
局域表面等离子体共振可以通过光直接照射产生。
表面等离子体激元指的是在金属和电介质分界面上传播的一种元激发Excitations），这种元激发源自电磁波和金属表面自由电子集体共振的相互耦合。
表面等离子体激元以指数衰减的形式束缚在垂直于传播的方向，由于它的传播波矢要大于光在自由空间中的波矢，电磁波被束缚在金属和电介质的分界面而不会向外辐射，也正是因为这种独特的波矢特性，表面等离子体激元的激发需要满足一定的波矢匹配条件。
二．SPPs的激发和仿真方法由于SPSs的波矢量大于光波的波矢量，或者说SPPs的动量与入射光子的动量不匹配，所以不可能直接用光波激发出表面等离子体波。
为了激励表面等离子体波，需要引入一些特殊的结构达到波矢匹配，常用的结构有以下几种：（1）棱镜耦合：棱镜耦合的方式包括两种，一种是Kretschmannt方式；另一种是Otto 方式。
（2）采用波导结构（3）采用衍射光栅耦合（4）采用强聚焦光束（5）采用近场激发。
目前主要的仿真方法有以下三种（1）时域有限差分法(finite difference time domain，FDTD)：FDTD方法是把Maxwell方程式在时间和空间领域上进行差分模拟，利用蛙跳式(leaf flogalgorithm)空间领域内的电场和磁场进行交替计算，电磁场的变化通过时间领域上更新来模仿。
表面等离子体激元
表面等离子体激元
表面等离子体激元（surface plasmon polariton，SPP）是研究与复
杂光学、电磁和物理行为相关的材料和结构的有效载体，具有重要应
用价值。
它可以将光信号传输到固体的内部，并使光子显得更短，这
为传递信息提供了新的可能性。
表面等离子体激元描述了物理表面上发生的电磁激励现象。
它们类似
于传统的电磁波，但具有新的特性，包括在固体物质表面反射回来的
大量能量和短波长。
SPP由一个电磁波和一个等离子体波强相互作用而产生，这两种波抵消并形成一种新的组合波。
表面等离子体激元的特性给它带来了几个关键优势。
它们可以用来实
现高密度的电磁能量传输，并能够以最少的时间传输信号。
它们还可
以用来控制传输的方向，因此可以实现高度有效的光学传输。
此外，
它们还将光子的波长缩短，从而可以实现高信噪比的传输，在存储和
运输光信息中发挥重要作用。
表面等离子体激元在多个领域都发挥着关键作用，如通信、电子系统
设计和光学系统设计。
它们在激光打印、光学散射和拉曼分析（Raman scattering）等技术中也被广泛应用。
此外，它们还为光子学中的调
制器、衍射元件和其他器件发挥着重要作用。
表面等离子体激元现在已经成为光子学中不可或缺的研究对象，它们
可以实现更快、更精准的处理和传输信号，并在全球各个行业发挥巨
大的作用。
它们已经从研究阶段走向实践应用，且未来前景一片光明。
细说神奇的表面等离子体波(Word)
细说神奇的表面等离子体波光通信的新宠——表面等离子体波光纤是现在全世界最普遍使用的传递光信号的传播器件。
它巨大的容量使得科学研究人员对于它将来能够取代微处理器和电子计算机芯片中的各种电子器件充满信心。
但是很不幸的是，光纤的尺寸太大使得它和小巧的芯片接口无法匹配。
光电子器件大的原因在于其尺寸被衍射这一物理规律所制约。
空间中相聚很近的光之间会相互干涉叠加，这导致承载光信号的光纤的最小宽度是光波长的一半。
芯片上传播的光信号通常是1500nm波长的远红外光（这也是人类规定的一切通讯电磁波的波长）。
这样光纤的最小宽度会远大于我们目前正在使用的纳米电子器件（硅的集成芯片通常只有100nm的量级），使得光纤和芯片的接口无法匹配。
毫无疑问，人类对于这个衍射极限是无法突破的，因此一度陷入沮丧。
但是最近几十年来，人们发现了一种可以用做电子器件与光纤通信媒介的现象：plasmon （表面等离子体波在金属和介质表面的震动），使得整个研究方向重现曙光。
当电磁波在金属和介质表面传播的时候，会引起金属表面电子的共振。
电子振动的频率和电磁波是吻合的，但是却有着比电磁波小很多倍的波长（如上图所示）。
这意味着，这种表面plasmon振动的波长是被极大压缩了的，可以用来连接大尺度的光纤和纳米级的电子器件。
在金属和电介质表面可以看到，在光纤中同样频率电磁光的波长在meta-material（利用上述plasmon现象制作的材料）中被压缩了几十甚至上百倍（如上图所示），这样光纤和芯片接口尺寸不匹配的问题被解决了，我们只需要在中间加一个plasmonic的转换过渡（如下图所示）。
该器件的一个极大的优点就是低功耗。
或许有人会疑惑，因为人们对金属的第一印象就是电磁波会被金属所吸收转化成热量。
然而这种表面的plasmon的功耗极小，因为它只是在金属的表面振动，根本没有进入金属内部，所以自然耗散极小。
表面等离子体波的历史1）炼金术士的彩色酒杯炼金术士们在几千年前就已经不经意地参杂金属物质，通过plasmonics的效应来制作有颜色的酒杯。
表面等离子激元
表面等离子激元
什么是表面等离子激元?
1. 表面等离子激元(SPs)是一种表面等离子体,即各向同性电荷云(ECCs),
它们生长在多个具有吸引力的表面上。
2. 表面等离子激元通常在加热表面时形成，激元的表面结构有细胞结构、纳米结构和微米结构。
它们由费米子、原子核和电子形成。
3. 表面等离子激元可以吸收和反射入射的辐射，且对表面温度的变化
也有较大的影响，对黑体辐射的数量有着较大的影响。
4. 除此之外，表面等离子激元还可以在太阳能电池中用作发光元件，
能够把辐射能量转换为电能。
5. 同时，表面等离子激元还可以用于药物传递和纳米医学研究，可以
作为作为用于诊断和治疗疾病的指标物质。
体内的激元可以将激发态
发射到细胞表面，起到治疗疾病效果，使疾病状况得到改善。
6. 由于表面等离子激元的独特性，它们在抗菌和抗致病方面被越来越
多的应用于现代的医学。
7. 在材料科学领域，表面等离子激元可以应用于多种材料，如金属、
陶瓷、塑料等，可以改变它们的物理和化学性质，使它们的性能变得
更好。
8. 此外，表面等离子激元还可以用于降解有害物质，如污染物、毒素、药物废弃物等，是实现水污染控制、改变制造业里污染物含量的重要
途径。
9. 综上所述，表面等离子激元是一种非常有用的物质，可用于多种应
用和场景，如太阳能电池、药物传递、抗菌和抗致病、材料科学、降解有害物质等，将为人类丰富的生活提供更多的帮助。
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表面等离子体激元简介
一．表面等离子体激元
表面等离子体（Surface Plasmons）的出现提供了一种在纳米尺度下处理光
的方式。
表面等离子体通常可以分成两大类——局域表面等离子体共振
（Localized Surface Plasmon Resonance）和表面等离子体激元（Surface
Plasmon Polaritons）。
局域表面等离子体共振专指电磁波与尺寸远小于波长的
金属纳米粒子中的自由电子的相互耦合，这种等离子体只有集体共振行为，不能
传播，但可以向四周环境辐射电磁波。
局域表面等离子体共振可以通过光直接照
射产生。
表面等离子体激元指的是在金属和电介质分界面上传播的一种元激发
Excitations），这种元激发源自电磁波和金属表面自由电子集体共振的相互耦
合。
表面等离子体激元以指数衰减的形式束缚在垂直于传播的方向，由于它的传
播波矢要大于光在自由空间中的波矢，电磁波被束缚在金属和电介质的分界面而
不会向外辐射，也正是因为这种独特的波矢特性，表面等离子体激元的激发需要
满足一定的波矢匹配条件。
二．SPPs的激发和仿真方法
由于SPSs的波矢量大于光波的波矢量，或者说SPPs的动量与入射光子的
动量不匹配，所以不可能直接用光波激发出表面等离子体波。
为了激励表面等离
子体波，需要引入一些特殊的结构达到波矢匹配，常用的结构有以下几种：（1）
棱镜耦合：棱镜耦合的方式包括两种，一种是Kretschmannt方式；另一种是Otto
方式。
（2）采用波导结构（3）采用衍射光栅耦合（4）采用强聚焦光束（5）采
用近场激发。
目前主要的仿真方法有以下三种
（1）时域有限差分法(finite difference time domain，FDTD)：FDTD方法是
把Maxwell方程式在时间和空间领域上进行差分模拟，利用蛙跳式(leaf flog
algorithm)空间领域内的电场和磁场进行交替计算，电磁场的变化通过时间领域
上更新来模仿。
优点是能够直接模拟场的分布，精度比较高，是目前使用较多的
数值模拟方法之一。
（2）严格耦合波法(rigorous coupled—wave analysis，RCWA)：该方法是分析
光栅的有利工具，它是基于严格的矢量maxwell方程来分析。
由于在很多的表面
等离子的结构中都会引入衍射光栅结构，所以RCWA 方法也被越来越多的学者用
来分析相关的问题，并且取得了不错的效果。
（3）限元法(finite element method,FEM)：该方法是从变分原理出发，将定义
域进行有限分割，离散成有限个单元集合。
通过区域剖分和分偏差值，把二次泛
函的极值问题化为普通多元二次函数的极值问题，后者等价于一组多元线性代数
方程的求解。
该方法分析的是一种近似结果，不过很多的问题能近似模拟，目前
应用也比较广泛。
三．SPPs的若干应用
1. SPPs波导
SPPs波导是实现纳米光子回路的基础，在此基础上人们可以进一步研制集成
于金属表面的各种SPPs器件，从而构筑等离子体光子芯片。
在这方面，武汉大
学汪国平教授领导的研究小组的研究成果较为突出，并著有相关著作。
在表面等
离子带隙结构中引入线缺陷即可引导SPPs的传播，通过设计缺陷的形状可以实
现SPPs的直线波导、弯曲波导以及分束波导等。
.
2SPPs耦合器
等离子体光子芯片具有输出输入端口，这些端口通
过SPPs耦合器，可以避
免将远场光直接耦合到SPPs芯片中的纳米光电子器件上。
一个优选的方案是将
半球形状的金属纳米颗粒与基于纳米点的SPPs波导整合一起。
当聚焦的SPPs
馈送进耦合器中，传播距离可达 4.0m。
纳米点也能够用于聚焦SPPs，形成高
近场强度和亚波长宽度的光斑。
3.SPPs新型光源
SPPs引发的电磁场，不仅能够限制光波在亚波长尺寸结构中的传播，而且
能够产生和操控从光频到微波波段的电磁辐射。
在有源光学材料附近附着金属结
构，在金属结构表面诱导产生SPPs，使得有源光学材料周同的光子态密度发生
显著变化，从而改变有源光学材料的自发辐射寿命，减弱非辐射过程对于其发光
过程的影响，进而提高发光效率。
利用SPPs能够改善激光器的性能。
例如，在
SEMS型硅基激光器中引入表面刻有光栅结构的金薄膜结构，选择特定的铒离子
极化方向，受到外部光激发的铒离子能够有效诱导产生表面等离子体激元，研究
结果表明：多层掺铒硅单层的平均自发辐射寿命缩短了，相应的SEMS型硅基激
-1
光器在 1.54mm波长处的增益系数提高了24%(原增益系数为30cm)。
4. SPPs纳米光刻技术
2005年，美国加州大学伯克利分校的Zhang等利用基于表面等离子体原理进
行纳米光刻的实验旧，在365 nm波长照明光作用下实现了超衍射分辨力光刻，
对单线条的分辨力达到40 nm，对光栅线条的分辨力可达60 nm。
在该光刻实验
结构中，掩模版、间隔层、薄Ag板和光刻胶做成一个整体，薄Ag板通过电子束
蒸发淀积而成，间隔层则是通过多次刻蚀达到要求的厚度，这一实验的报道，极
大地推动了SPPs在光刻技术中应用的研究。
5. SPR传感器
利用表面等离子体共振现象研制光化学传感器已引起人们的极大兴趣，正成
为传感器领域的研究前沿。
光纤SPR传感器在传感机理上主要有两类：一是利用
倏逝场效应，通过腐蚀或研磨掉包层后在纤芯表面镀金属膜，或在锥形光纤表面
镀金属膜；二是在纤芯内写入长周期光栅，将芯内的模式在某一特定波长转化成
包层高阶模，使高阶模与等离子体实现相位匹配。
表面等离子体共振技术以其高
灵敏度和快速的无标记检测的优点，根据其原理研制的表面等离子体传感器，在
检测、分析生物分子间的相互作用等方面有广泛的应用前景。
目前，表面等离子
体共振技术已经运用在免疫检测、药物代谢及蛋白质动力学等生命科学研究中。