(完整word版)表面等离激元
表面等离激元
“表面等离激元”是一种光学现象，它发生在反射界面上，表明光线可以在反射界面上维持相对平衡的态势。
表面等离激元这一物理现象是由法国物理学家埃里克·斯托克尔于1817年发现的。
他在研究光线在反射界面上的行为时发现，光线在反射界面上可以形成一个等离激元，即反射界面上的一个小小区域，其中光线不会穿过反射界面，而是在反射界面上穿行，使得光线在反射界面上维持相对平衡的态势。
此外，表面等离激元还可以用于诊断表面的状态。
它可以用来检测表面的摩擦系数、弹性系数以及表面的疏水性。
它还可以在几种材料之间的界面上进行检测，以确定这些界面的性质。
另外，表面等离激元也可以用于建设光学滤波器，例如分离颜色光谱的滤波器，以及用于分离多种类型的光谱。
表面等离激元也可以用于生物和化学分析，以及分离光纤中的信号。
总之，表面等离激元是一种重要的物理现象，可以用于诊断表面状态、构建光学滤波器和用于生物和化学分析等多种用途。
（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,。
表面等离激元
表面等离激元1.表面等离激元(SPP)的定义、性质及激发方式。
表面等离激元（SPPs）定义为自由电子与电磁场相互作用产生的沿金属表面传播的电子疏密波。
性质1. 在垂直于界面的方向场强呈指数衰减2.能够突破衍射极限;3.具有很强的局域场增强效应;4.只能发生在介电参数(实部)符号相反(即金属和介质)的界面两侧。
激发方式:1.棱镜耦合Kretschamann与Otto结构2.光栅(金属表面缺陷)耦合k//=k0sinq±Nkg= kspp 3.波导模耦合4.强聚焦光束(SNOM)2.理解并掌握金属电介质SPP色散关系的物理意义。
3.选择一种SPP的应用简述原理。
4.光子晶体的基本概念、定义、特性、带隙成因及其与电子材料的区别。
光子晶体是指具有光子带隙（PhotonicBand-Gap,简称为PBG）特性的人造周期性电介质结构。
由于介电常数存在空间上的周期性，进而引起空间折射率的周期变化。
当介电系数的变化足够大且变化周期与光波长相当时，光波的色散关系会出现带状结构，介电常数周期性排列的方向并不等同于带隙出现的方向，在一维光子晶体和二维光子晶体中，也有可能出现全方位的三维带隙结构。
特性:1.抑制自发辐射，带隙中态密度为零，自发辐射几率也就为零，这也就抑制了自发辐射。
2.光子局域化，当光子晶体原有的对称性遭到破坏时，即有了缺陷，在光子晶体中禁带中就可能出现频宽极窄的缺陷态或局域态，与缺陷态频率符合的光子会被局限在缺陷位置，而不能向空间传播。
带隙成因:电磁波在周期性电介质材料中传播时，由于受到调制而形成光子能带结构，频率落在带隙内的电磁波不能通过介质而被全部反射，即形成光子带隙。
电子材料:电子在周期场中传播时，由于会受到周期势场的布拉格散射，会形成能带结构，带与带之间可能存在带隙。
电子波的能量如果落在带隙中，传播是禁止的。
电子材料是通过周期性的晶体结构从而产生周期性势垒，按照薛定谔方程形成带隙。
电磁波是通过周期性的介电常数，按照麦克斯韦方程形成光子带隙。
表面等离激元
表面等离激元介绍定义及原理：当光波（电磁波）入射到金属与介质分界面时，金属表面的自由电子发生集体振荡，电磁波与金属表面自由电子耦合而形成的一种沿着金属表面传播的近场电磁波，如果电子的振荡频率与入射光波的频率一致就会产生共振，在共振状态下电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能，这时就形成的一种特殊的电磁模式：电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强，这种现象就被称为表面等离激元现象。
性质：表面等离激元是外界光场与金属中自由电子相互作用的电磁模，在这种相互作用下外界光场被集体振荡的电子俘获，构成了具有独特性质的SPPs 。
在平坦的金属/介质界面，SPPs 沿着表面传播，由于金属中欧姆热效应，它们将逐渐耗尽能量，只能传播到有限的距离，大约是纳米或微米数量级。
只有当结构尺寸可以与SPPs 传播距离相比拟时，SPPs 特性和效应才会显露出来。
随着工艺技术的不断进步，现今已经可以制作特征尺寸为微米和纳米级的电子元件和回路，在这个领域的研究也迅速开展起来。
表面等离激元主要具有如下的的基本性质:1. 在垂直于界面的方向场强呈指数衰减;2. 能够突破衍射极限;3. 具有很强的局域场增强效应;4. 只能发生在介电参数(实部)符号相反(即金属和介质)的界面两侧。
表面等离激元的激发：由于表面等离激元在界面附近的电场方向与界面垂直，要激发表面等离激元，光波必须具有与界面垂直的电场分量。
此外，在激发表面等离激元的过程中，还需要满足波矢匹配条件。
相同频率下，金属与介质界面的表面等离激元与光波的波矢关系可以表示为：2/121210)(εεεε+=k k spp ，其中spp k 是表面等离激元波矢，0k 是光波波矢。
一般来说，对于介质01>ε；而对于金属，212;0εεε<<且。
相同频率时，表面等离激元的波矢大于光波波矢，所以用平面光波无法直接激发出表面等离激元。
要想实现光激发，就必须通过特殊方法来补偿光波损失，使波矢匹配条件成立。
表面等离激元共振原理
表面等离激元共振原理
表面等离激元共振是一种在表面等离激元中发生共振现象的物理现象。
表面等离激元是一种在金属和介质界面上产生的电磁波模式，它是金属中的自由电子与光子之间的耦合模式。
表面等离激元共振原理可以通过以下步骤进行解释：
1. 当电磁波入射到金属-介质界面时，部分能量会被金属吸收，而另一部分能量会被反射。
2. 当入射角度和波长满足一定的条件时，进入金属表面的光子能够与自由电子耦合形成表面等离激元。
这些电子和光子之间的耦合形成了新的电磁波模式，即表面等离激元。
3. 表面等离激元的形成导致了共振现象，即当入射角度和波长符合表面等离激元的共振条件时，能量将得到最大的能量传递。
4. 共振产生的电磁波能够在金属表面上传播，形成波浪或驻波模式，具有较高的局部电场强度。
表面等离激元共振具有很多重要的应用，包括传感器、光学器件、太阳能电池等领域。
通过调控和利用表面等离激元共振现象，可以实现更高效的能量传输、灵敏的传感器探测以及更高分辨率的成像等。
表面等离激元共振
表面等离激元共振在太阳能电池等领 域中，可以提高光电转换效率，促进 可再生能源技术的发展。
表面等离激元共振的历史与发展
早期研究
表面等离激元共振的研究始于20世纪初，但直到近年来随 着纳米技术的快速发展，才得到了广泛关注和应用。
受介质影响
当表面等离激元遇到不同介质时 ，会发生反射、折射或耦合等现 象。
表面等离激元的共振条件
波矢匹配
当入射光波的波矢与表面等离激元的波矢相匹 配时，会发生共振增强效应。
能量守恒
入射光能量与表面等离激元的能量必须相匹配， 才能实现共振。
动量守恒
入射光与表面等离激元必须满足动量守恒定律。
03
表面等离激元共振的应用
光电探测器
用于检测共振产生的光信号，如光电流或光 电压。
激光器
提供共振所需的光源，通常选用可见光波段 的激光。
金属纳米结构
制备具有特定形貌和尺寸的金属纳米结构， 如纳米颗粒、纳米棒、纳米片等。
实验步骤与操作
样品制备
在玻璃基底上制备金属纳米结 构样品，可以采用物理气相沉
积、化学合成等方法。
光学显微镜观察
THANK YOU
实验验证难度
表面等离激元共振的实验验证是另一个技术挑战。由于表面等离激元共振的特性，实验验证需要高精度的测量设备和 复杂的实验条件，这增加了实验验证的难度。
理论模型的不完善
目前对表面等离激元共振的理论模型仍不完善，这限制了对表面等离激元共振的深入理解和应用。需要 进一步发展理论模型，提高理论预测的准确性和可靠性。
调控光电流
通过表面等离激元共振，可以调控太阳能电池中的光电流方向和大 小，优化能源利用效率。
表面等离激元的激发及探测
表面等离激元的激发及探测表面等离激元是一种位于金属表面的电磁波，可以激发金属表面的电子形成共振，产生强烈的电磁场，具有极高的局域化和增强性质。
在生物分子、化学分析、光学传感等领域中，表面等离激元技术得到了广泛的应用。
本文将介绍表面等离激元的激发及探测方法，并讨论该技术在化学和生物研究中的应用。
一、表面等离激元的激发方法表面等离激元的激发方法主要有三种：光学激发、电学激发和粒子束激发。
其中，光学激发是最为常见的激发方式，它通过在金属表面正入射激光束来产生表面等离激元。
当入射激光与金属表面的电子相互作用时，电子自由波和表面等离激元耦合，从而形成表面等离激元波。
二、表面等离激元的探测方法表面等离激元的探测方法主要有两种：光学探测和电学探测。
其中，光学探测是最为常用的探测方式。
在光学探测方法中，激发表面等离激元的激光通过光学系统导入与表面等离激元耦合的探测光纤或另一探测器上，以测量表面等离激元的共振谱。
在电学探测中，可以通过测量表面等离激元场的局部电流或电势，来间接测量表面等离激元的特性。
三、表面等离激元在化学研究中的应用表面等离激元在化学分析领域中有着广泛的应用。
例如，在表面等离激元拉曼光谱（SERS）中，表面等离激元与修饰金属表面上的分子共振，从而增强了分子的拉曼散射信号，可以对弱信号化合物进行高灵敏度和高选择性的检测。
此外，表面等离激元还可以通过测量表面等离激元感应荧光（SEF）来实现生物分子的检测。
利用表面等离激元产生的强烈电磁场，可以将荧光分子的荧光增强数千倍以上，从而实现对极低浓度的生物分子的检测。
四、表面等离激元在生物研究中的应用表面等离激元技术在生物学研究中也有广泛的应用。
例如，在蛋白质结构研究中，表面等离激元可以用来研究蛋白质的自组装过程以及蛋白质分子之间的相互作用；在单分子检测中，表面等离激元可以将单个分子的激发局限在一特定区域内，从而实现对单个分子的定位和监测，为分析和理解生物分子的自组装、相互作用和反应提供了新的手段；同时表面等离激元还可用于测量细胞膜的介电常数，从而实现对细胞膜性质的非侵入式测量。
局域表面等离激元
局域表面等离激元局域表面等离激元（SurfacePlasmonPolaritons，简称SPPs）是由金属表面产生的精细结构表面电磁波。
这种波是在金属表面发生的激元现象。
它是由表面等离激元（SP）以及其周围构成的非等同介质分量构成的复合角动量，具有半导体光学（SP）以及磁激子（MP）的共同特征。
SPP由金属和介质的界面所决定，它的特性是由金属的折射率和介质的折射率和介质的诸多物理特性决定的。
SPP在金属表面的界面处做一种类似电磁波的波，可以传播一定的距离，其能量也随着传播距离的减小而减小。
SPP的波长随着入射光的频率和金属的折射率而变化。
SPP的传播距离受制于衰减率，入射光频率越低，衰减率越小，传播距离越长。
SPP具有高度的导电性和磁导性，令它保持了极强的电磁耦合协议。
它的传输受到折射率的影响，具有较强的隔离效果，可有效抵御外界干扰。
SPP可以将可见光谱和红外光谱转化为特定频率，频率受到入射频率和金属表面的参数影响。
由于SPP具有宽频带、高速传输、高灵敏度等特性，它在光通信、抗干扰性检测、光学器件等领域被广泛应用。
例如，SPP光学元件用来缩小范围，减少发射光的浪费，加强发射光的强度；SPP光纤衍射器可用来构建高速通信系统；SPP仪器用来检测电磁波或光信号，是一种新型的抗干扰检测系统；SPP也可以用来检测微纳米对象的尺寸和形状，是一种新型的超分辨率技术。
此外，SPP在生物医学领域也有着广泛的应用，它可以用来诊断和监测肿瘤细胞、调节体外膜的结合效率等。
SPP可以将特定的光谱转换成特定的波长与频率，从而实现超灵敏的检测和操纵细胞。
综上所述，局域表面等离激元以其独特的传输特性，在光通信、生物医学、抗干扰性检测等多个领域应用广泛。
它与金属表面发生的物理现象有关，其受到入射光频率以及金属表面参数的影响，具有高度的导电性和磁导性，保持了极强的电磁耦合协议。
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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,。
(2)球状金属的SP 介电常数可由以下公式给出:
式中为金属周围环境的介电常数。
从公式可以得到无限多的模式，在
时得到最低阶介电模式。
由于光子通过这些介电模式藕合进入SP ，
然后出现一个衰减的过程，所以这些模式都具有辐射的特征。
(3)利用Drude 模型可以得到块状金属中的相对电容率表达式：
式中，其中为金属内电子的平均自由程，
为电子的Fermi (费密〔长度单位，等于10-13厘米〕)速度，为金属电阻率．的数量级为，的数量级为，故的量级为．由于的量级为，远远小于，故当趋近于时，可以忽略不计，所以考虑等离体子振荡问题时，可忽略相对电容率的虚部，得到金属中相对电容率的经典表达式：
二维周期性结构排列，当入射光垂直照射时，其共振波长用
112222max ()()m d s m
d a i j εελεε-=++来表示，其中a 是晶格常数，i j 和是整数，m ε是金属的介电常数，d ε是和金属接触的介质的介电常数。
4.其它一些相关知识点
由以上公式可画出理想金属的表面等离激元色散曲线，如图1.2所示
因此，由上可知SP不能直接用光来激发。
我们可以利用快速电子来激发波
矢较大的SP，但它无法激发波矢较小的SP。
我们可以借助一些特殊的结构装置，可以利用光来激发SP下图就是其中一种装置。
表面结构衍射激发
(1)如果金属表面非常粗糙(粗糙度)，SP会受到强烈的散射，其波形
将偏离扩散波的形状，不能以波的形式沿界面传播，而是被局域在金属表面，我
们把此时的SP称之为局域表面等离激元。
并且当光频率的入射光照
射到粗糙表面时，光就可以通过粗糙表面藕合进入SP。
(2)金属颗粒对光的散射截面和吸收截面由以下公式给出:
，其中
是颗粒的机化率。
是颗粒的体积，和。
，分别是颗粒和周围介质的介电函数。
当
时，颗粒机化率将会变得很大，此时便呈现表面等离激元共振的特性。
并且在发生表面等离激元共振时，散射截面会远远超过颗粒的几何截面。
同时，由公式可以看出，颗粒的散射截面与体积的平方成正比，而吸收截面与体积成线性关系。
由此可见，大尺寸的金属颗粒对光的散射更强。
但在随着颗粒的增大，颗粒的机化出现不均匀性，其表面等离激元辐射衰减增加，颗粒的表面等离激元共振频率将出现四偶极子等高阶等离激元模式，这会导致表面等离激元共振峰发生红移。
(3)均匀介质中的纳米金属球
如图3所示，介质相对电容率为；金属球相对电容率为，半径为．对于球状的金属微粒，不再存在光波与等离体子振荡的波矢失配问题，利用频率可调的光波照射纳米金属球，可以观察到等离体子对入射光波的吸收．这是因为入射光波将纳米金属球极化，在金属球内激发了表面等离体子振荡．
当入射光波在可见光波段时，光波波长远大于纳米金属球直径，所以可以利用准静电近似求解金属球内外的电场分布．在准静电近似下，选择极轴方向为外场方向，使的解与无
关，则拉普拉斯方程的解可写为
在介质中有
与通解比较，并利用边界条件可以得到：
计算得到球内外电场分布：
球内的场强与入射场强之比称为表面局域场增强因子．当
时，球内场强增至极大，产生共振，可得
由此可得纳米金属球的等离体子振荡频率为
具有此频率的入射光波将激发金属球表面等离体子振荡．
(4)制备等离激元结构的常用金属材料包括:铝、银、金和铜等。
铝和银是两种自由电子密度极高的金属材料，其等离激元共振峰可以达到极紫外波段。
金和铜的自由电子密度则要弱于前两者，创门的表面等离激元共振峰一般在可见光波段。
这几种材料中，银具有最低的损耗，最小的吸收系数的优异性能，是研究表面等离激元的理想材料。
另外，对于同一种金属颗粒，可以通过改变颗粒周围的介电材料来调节其表面等离激元共振峰的位置，高折射率的介电材料可以得到更大波长的共振峰位置。