基于表面等离子体激元的新型太赫兹探测技术
表面等离子激元技术在传感器领域中的应用
表面等离子激元技术在传感器领域中的应用1. 介绍表面等离子激元技术（Surface Plasmon Resonance, SPR）是一种用于研究在两种介质之间存在的等离子共振现象的技术。
这种技术常常用于各种生物化学或生物分子相互作用的研究，例如可以用来研究蛋白质与配体之间的相互作用，或者检测某种病原体等。
随着技术的进步和应用范围的扩大，SPR技术不仅仅被用于生物领域，还被应用到了传感器领域。
2. SPR传感器原理SPR技术是基于等离子共振的一种技术。
在介电常数不同的两种介质之间存在等离子共振，电磁波能量转化为电荷波，而电荷波又会转化为电磁波，这个循环就是等离子共振。
把这个现象应用于传感器中，可以通过改变介电常数的方式，来测量物体的某些物理和化学性质，同时还能够在不破坏样品的条件下进行测量。
SPR传感器由一个光学系统和一个电学系统组成。
在物样品和芯片表面之间存在一个金属反射膜，这个反射膜通常由银材料制成。
入射光线照射在这个反射膜上，被反射回到光学元件上，其中一部分被吸收，另一部分保持反射，电荷波在反射膜表面形成。
当样品分子结合到芯片表面的反射膜上时，它们会改变反射膜的物性，这会导致电荷波的共振角度发生变化。
这种方式非常适合用于复杂样品的分析。
3. SPR传感器的应用目前，SPR传感器技术在医学、生物技术、环境监测和食品安全等方面都有广泛的应用。
在医药领域中，SPR传感器主要用于新药研究和开发、药物代谢动力学、毒性学筛选等方面；在环境监测领域中，SPR传感器就能够用于检测水中的有机物污染物、土壤中的重金属和化学物质等；在食品安全方面，SPR传感器可用于监测食品中的残留农药和有害物质。
4. SPR传感器技术的发展随着科技的发展和应用场景的扩大，SPR传感器技术也在不断的发展。
现代SPR传感器已经具有更高的灵敏度、更精确的控制和更快的响应速度。
此外，现代SPR传感器还具有多样化分析和检测目标，能够检测尿液、血液、唾液等生物样品，而且能够应用到许多领域，如纳米技术、有机电子器件等。
表面等离子体共振传感器技术
表面等离子体共振传感器技术表面等离子体共振传感器（Surface Plasmon Resonance Sensor，SPR）技术是一种高灵敏度、高特异性的生物分析方法。
该技术基于等离子体共振现象，通过监测表面等离子体波的共振现象，实现对样品分子浓度、相互作用强度和亲和力等参数的测量。
SPR技术的基本原理是通过一种特殊的金属膜与样品接触，当样品分子在金属膜上发生离子交换时，会引起金属表面的等离子体共振现象发生变化，从而导致样品的浓度、亲和力和相互作用强度等参数发生变化。
SPR技术的优点之一是其高灵敏度。
由于等离子体共振现象与样品分子的密切接触有关，因此即使是微小的分子变化也能够被SPR技术所测量。
另外，SPR技术还具有高特异性，由于特定的样品分子与特定的生物大分子之间会形成特定的亲和力和相互作用强度，因此SPR技术可以非常准确地区分不同种类的分子。
除此之外，SPR技术还具有非常广泛的应用领域。
目前，SPR 技术已经被广泛应用于药物筛选、疾病诊断、食品安全、环境监测等多个领域。
通过SPR技术，可以快速、准确地检测出样品中的各种物质，从而为生命科学研究和医疗保健领域带来了重要的技术突破。
在SPR技术的应用中，最常用的是基于表面等离子体共振现象的生物传感器技术。
通过将生物分子固定在金属膜上，并用特定的方法识别和测量其与其他生物分子的相互作用强度和亲和力等参数，从而实现对特定生物分子的检测和分析。
这种传感器技术在化学、生物学、医学等多个领域中都有广泛的应用，对于快速、准确地检测样品中的分子有着重要的价值。
在生物传感器技术中，共振微型芯片（SPR芯片）是SPR技术中的核心部分。
共振微型芯片通常由金属膜和玻璃基板构成，其中金属膜上固定着特定的生物分子，与此同时，在金属膜上的等离子体波可以被光束所感知。
当样品溶液通过共振微型芯片时，样品分子会与固定在金属膜上的生物分子发生特定的相互作用，引起等离子体波的共振位移，进而实现对样品的检测。
太赫兹辐射技术在材料研究中的应用
太赫兹辐射技术在材料研究中的应用太赫兹辐射技术可以用来探测物质的特定结构和动态过程，因此被广泛用于材料科学中。
在材料研究领域，太赫兹辐射技术的应用十分广泛，譬如：表面等离子体激元（surface plasmon polaritons, SPPs）研究、非平衡态动力学研究、新型材料探测及特性分析、生物医学感知等等。
本文将就太赫兹辐射技术在材料科学领域具体的应用进行详细讲解。
1. 表面等离子体激元研究表面等离子体激元，是指当电磁波射入金属表面时，比较特殊的光与金属表面的电荷波动相互作用所产生的一种共振现象。
这种共振现象产生的电场和电荷密度会导致光场局限在表面附近，使得光在表面上的传输受到约束。
太赫兹波与物质相互作用的区域比较浅，与表面等离子体激元的空间范围匹配，因此太赫兹辐射适用于 SPPs 的研究。
太赫兹辐射能够在监测 SPPs 的介电函数等物性基本参数的同时，探测到SPPs的角频率、生命时间和衰减长度等参数。
因此太赫兹辐射技术可以用于制备新型表面等离子体光学元件，现代微型光子学与传感器领域将是太赫兹光学技术的新兴市场。
2. 非平衡态动力学研究非平衡态动力学是物理学中一门复杂的研究系统的学科，在材料科学中十分重要。
这个领域的典型应用包括光电转换性能、光电器件性能研究以及光驱动快速相变等。
由于太赫兹光可以在光学瞬间敏感的时域尺度下观察这些动态过程，它是非平衡态动力学的理想光谱区域。
与传统的光学谱技术相比，太赫兹光谱可以使用相同的光源产生多种脉冲宽度的光，也可以很便利地引入外界磁场，并且光源的光子能量与样品的能级结构相当一致，因此可以有效地研究样品的特定量子现象以及非平衡态动力学特定过程。
3. 新型材料探测及特性分析太赫兹辐射技术被广泛应用于全新材料的探索和开发。
在新型材料分子的结构和动态过程研究中，太赫兹辐射技术往往被作为工具进行开发。
利用太赫兹光学技术可以在时间域内可视化瞬态变化，以及探测短时态光强敏感过程，从而探究物质的特殊性质。
基于表面等离子体激元的新型太赫兹波导的研究
一、概述近年来，随着太赫兹技术的飞速发展，新型太赫兹波导作为太赫兹波传输和调控的重要组成部分，受到了广泛关注。
基于表面等离子体激元的新型太赫兹波导因其在太赫兹波段具有优异的传输性能和调控能力，成为了研究热点。
本文旨在系统性地介绍基于表面等离子体激元的新型太赫兹波导的研究现状和发展趋势。
二、基于表面等离子体激元的太赫兹波导概念1. 表面等离子体激元简介表面等离子体激元是一种束缚在金属表面上的电磁波，其能量随着波长的减小而增大，具有特征显著的增强光-物质相互作用效应。
在太赫兹波段，表面等离子体激元具有较长的寿命和波长范围广，是理想的太赫兹波导材料。
2. 基于表面等离子体激元的太赫兹波导概念基于表面等离子体激元的太赫兹波导是利用金属表面等离子体激元作为传输介质，实现太赫兹波的导波传输和调控。
通过设计金属结构和激发激元模式，可以实现太赫兹波的高效传输和局域场调控。
三、基于表面等离子体激元的太赫兹波导研究现状1. 表面等离子体激元在太赫兹波段的应用目前，表面等离子体激元在太赫兹波段的应用主要集中在太赫兹波调控、传感、成像和通信等方面。
其在太赫兹波导领域的应用研究也取得了一系列重要进展。
2. 基于表面等离子体激元的太赫兹波导研究进展基于表面等离子体激元的太赫兹波导研究主要包括波导结构设计、波导传输特性、局域场调控和应用等方面。
通过多种传输介质和波导结构设计，实现了太赫兹波导的低损耗、高效率传输和局域场调控等关键技术突破。
四、基于表面等离子体激元的太赫兹波导的关键技术挑战1. 低损耗传输在太赫兹波段，金属材料的电阻损耗是太赫兹波导传输的关键影响因素，如何有效抑制并降低传输损耗是面临的主要技术挑战。
2. 局域场调控实现太赫兹波的局域场调控是基于表面等离子体激元的太赫兹波导的关键技术瓶颈，需要克服波导结构设计、材料选择和激元模式激发等方面的难题。
五、基于表面等离子体激元的新型太赫兹波导的未来发展趋势1. 新型材料的涌现随着太赫兹材料的不断涌现，如石墨烯、二维材料和纳米结构材料等，在太赫兹波导领域的应用将得到进一步拓展。
表面等离子共振(SPR)——一种新型化学检测方法的原理
影 像 科 学 与 光 化 学
ｒｎａｇｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｐｈｏｔｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ
维普资讯
ＶＯ１．２６ Ｎｏ．２ Ｍ ａｒ．，２００８
表 面等 离 子 共振 （ＳＰＲ）
一 一 种 新 型 化 学 检 测 方 法 的 原 理
近年来 由于纳 米科 学 的进展 以及某些 贵金 属表 面 （如金 ，银等 ）易 于通过 自组 装 化学 修饰 而得 到某种特 殊 的应 用 ，因此 对金属纳 米粒 子 的制 备及 相关 的光 谱尺 寸效应 研究 受 到广 泛关 注 ．有关球 形纳 米粒子 的吸收光 谱 ，曾通 过 Ｍｉｅ［６ｊ理论 ，以 电磁 波对粒子 的散射 ， 直接求 解 Ｍａｘｗｅｌｌ方程而得 到 ，计 算 中 ，因所研 究 纳米 粒 子 的尺寸 处 于 ｄ＜ 的 条件 下 、 因而其 中的偶 极项 得到适宜 的保 留 ．这就 可 以 得 到如 图 ２列 出的 ：由实验 以及 由经典 电 磁理论 计算 ，所得两类 吸收 光谱 的 比较 ．
吴世康，汪鹏飞
（中国科学院 理化技术研究所 ，北京 １０００８０）
摘 要 ：近年 来 ，表 面等 离子 共振 （ＳＰＲ）现 象 、由于在金 属 纳 米材 料研 究 以及 在 作为灵敏检测不同化学和生化物种信号的报告器方面有着特殊的应用价值 ，因 而受到广泛的关注．本 文较详细的介 绍 了表 面等 离子共振现 象的形成机制 ，特 别 对如何 利 用本 方 法作 为 一种 新 型 的物 种检 测 报 告 器的 有 关 问题 做 了较 系统 的 讨 论 ．
出现表面等离子共振现象的机制可简述如下 ：可以将金属看作 由正离子构成的规则 晶格 ，而 电子则 可在 晶格上 自由流动 ．按 照 Ｊｅｌｌｉｕｍ 的模 型 ，离 子 晶格 可用 均 匀 的正 电背
基于表面等离子激元的新型可调谐微共振环滤波器分析
基于表面等离子激元的新型可调谐微共振环滤波器分析0 引言表面等离子激元(简称SPPs)早在1950 年的Ritchie 工作之后就被人们所认识。
它们本质上是光子和导体中的自由电子相互作用而被表面俘获的广波，或者说是自由电子和光波电磁场由于共振频率相同而形成的一种集体振荡态。
SPPs 沿着导体一电解质分界面处传播，传播距离大约是几百纳米到几微米，并在垂直表面的两个方向上，均以指数式衰减。
传统光学由于衍射极限的限制，只能把光子器件做到波长(λ／n)量级，而无法满足集成光学的需求，而基于表面等离子激元的光子器件则打破了衍射极限的限制，可以将光束缚在亚波长结构中传播，故有利于光器件的集成化发展。
基于表面等离子激元的光波导由于可以将光场限制的很小，因而可以实现非常急剧的弯曲，进而可以做成非常小的环状波导。
本文研究的基于表面等离子激元的共振环滤波器就是一种十分重要，也是十分基础的光学器件，在光通信中有着很广泛的应用(如光开关，波分复用等)。
1 表面等离子激元的特性在合适的边界条件下解Maxwell 方程，可以得到SPPs 的色散关系：其中，ε是金属的介电常数，εd 是电介质的介电常数，kspp 是SPPs 的波矢，k0=ω／C 是自由空间的波矢。
色散关系公式(1)中，金属的介电常数ε采用Drude 模型：，其中ε∞是带间跃迁对的介电常数，ω是等离子共振频率，γ是电子碰撞频率。
由式(1)可以看出，由于ksppk0，SPPs 的动量与入射光子的动量不匹配，所以，在通常情况下，SPPs 不能被激发，它可以通过在金属表面引入亚波长缺陷等方法来激发。
表面等离子激元共振技术在传感器中的应用研究
表面等离子激元共振技术在传感器中的应用研究表面等离子激元共振技术（SERS）是一种基于表面等离子激元共振效应的检测技术。
SERS技术能够对物质进行高灵敏、高选择性的检测，已经广泛应用于化学、生物、环保等领域。
在传感器中，SERS技术具有广泛的应用前景。
一、SERS技术原理SERS技术的灵敏性和选择性来自于表面等离子激元共振效应。
当光到达具有等离子体共振的金属表面时，激发出表面等离子激元波，这些波能够增强光的散射效应，从而让物质的振动频率得以放大，同时使得物质的电荷极性更加容易被激发。
这样，我们就能够通过光散射的方式，得到物质的吸收光谱，从而实现物质的定量分析，甚至能够检测到微量物质。
二、SERS技术的优势SERS技术相比其他光谱技术，有着更高的检测灵敏度和选择性。
SERS技术能够检测到非常微弱的信号，对化学分析和生物检测都有很大的应用价值。
同时，在制备样品和检测过程中，SERS技术对样品的要求比较宽松，即便是微量样品也能够得到可靠的检测结果。
在实际应用中，SERS技术具有快速、灵敏、实用、可靠等优势。
三、SERS传感器的应用研究SERS技术的高灵敏度和可靠性，使其成为一种重要的传感器技术。
SERS传感器的应用研究主要集中在以下几个方面：（一）环境监测：SERS技术可以检测到空气中的VOCs（挥发性有机物）浓度，掌握环境质量情况，如PM2.5、NOx、SOx、CO等。
（二）食品安全：SERS技术可以检测到食品中有毒有害物质或潜在污染物的含量，如农药、重金属等。
（三）药物检测：SERS技术可以高效准确地检测到药物或生物活性物质的存在，如癌症标志物、DNA、蛋白质结构等。
（四）病毒、细菌检测：SERS技术结合化学、生物反应，可以对特定细胞分子进行定量检测，如检测流感病毒、细菌等。
以上应用中，环境监测和食品安全检测是目前应用最广泛的SERS传感器研究方向。
四、SERS传感器的制备和优化SERS传感器的制备和优化是SERS技术应用研究中的关键环节。
太赫兹表面等离激元及其应用
第39卷第2期2020年4月红外与毫米波学报J.Infrared Millim.Waves Vol.39，No.2 April，2020太赫兹表面等离激元及其应用刘濮鲲*，黄铁军（北京大学电子学系，北京100871）摘要：金属或半导体与介质分界面上的电子与光子互作用形成的光学表面等离激元（SPP）以及人工超构材料或二维原子晶体材料表面上的电子与太赫兹波或微波互作用形成的人工表面等离激元（SSP）是小型化与集成化太赫兹有源/无源器件和太赫兹超分辨率成像的重要物理基础。
随着太赫兹科学技术的发展，太赫兹表面等离激元研究在国际上受到很大关注。
本文介绍了传统的光学表面等离激元及其发展，详细阐述了太赫兹波段的人工表面等离激元（SSP）和石墨烯表面等离激元（GSP）的基本原理和发展历程，对表面等离激元在太赫兹波段的新型辐射源、无源器件、超分辨率成像及其他领域的应用进行了较为全面的总结和评述，并对该领域未来进一步发展的方向进行了展望。
关键词：太赫兹；表面等离激元；亚波长周期结构；石墨烯；衍射极限中图分类号：O441.6；O441.4；O439文献标识码：ATerahertz surface plasmon polaritons and their applicationsLIU Pu-Kun*，HUANG Tie-Jun（Department of Electronics，Peking University，Beijing100871，China）Abstract：Surface plasmon polaritons（SPP）arising from the interactions between electrons and pho‐tons at the metal/semiconductor-dielectric interfaces，and spoof surface plasmons（SSP）supporting by the metamaterials or the interactions between surface electrons and terahertz/microwave waves of poly‐atomic crystals，are the essential foundation for breaking the diffraction limit and building integrated terahertz active/passive devices.This paper introduces the basic principles，evolution processes of con‐ventional optical SSP，terahertz SPP and graphene surface plasmon polaritons（GSP）.The detailed summary and discussion of terahertz plasmons in the applications of terahertz sources，passive devic‐es，super-resolution imaging and so on are also presented.In the last，we discuss the developing pros‐pects of the terahertz plasmons.Key words：terahertz，surface plasmon polaritons，subwavelength periodic structure，graphene，diffraction limitPACS：73.20.Mf，52.35.-g，52.77.-j，63.22.Rc，87.50.U-引言表面等离激元（Surface Plasmon Polaritons，SPP）是光波入射到金属（或半导体）材料表面形成的一种特殊的电磁极化模式。
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基于表面等离子体的新型太赫兹探测技术
表面等离子体激元（Surface Plasmonics），是二十一世纪兴起的一个热门光学研究方向，其最大的特点是其在亚波长的尺度上具有一些新奇的特性，利用这些特性，能够实现传统折射和衍射光学无法实现的效果。
基于等离子体发展出来的芯片已经能够有效操纵等离子体波，近十几年来，表面等离子体已经在光谱的光学部分中取得了大量的应用。
利用等离子体激元实现太赫兹探测是更晚一些的事情，其重要突破口是AlGaAs 和GaAs半导体纳米结构在获得更高纯度方面取得了进展，从而使表面等离子体的应用拓展到太赫兹（THz）波段成为可能。
这种方法能够克服传统天线转化效率低，只能进行单点测量的缺点，能够轻松实现线阵或面阵的低成本快速测量。
即使这样，将表面等离子体应用于太赫兹波段还是有非常大的挑战，这主要是由于表面等离子体本身的局限。
虽然表面等离子体能够突破传统的衍射极限，实现更小尺度的光操控，但标准的二维（2D）等离子体激元只有在频率ω> 1 /τ时才可观察到，其中τ为松弛时间，τ会随着温度的升高而降低。
这就导致表面等离子体效应仅在足够大的频率（短波长）和足够低的温度下才可见。
这样观察太赫兹波仅在低于80K的低温下实现，需要非常严苛的实验室条件。
科学家们为了避免这个限制限制，提出了一种相对等离子体激发方法（relativistic
plasma excitations），这种方法在门控二维电路系统中探测的新型表面子体波。
这些弱阻尼的表面子体波在高电导率的电子系统（2πσ> c），具有强烈的极化特性，其能够实现在太赫兹和微波波段探测表面等离子体波。
表面等离子体激元探测太赫兹波的路径
按照如下的技术路径，就可以实现对太赫兹波的探测。
1）特殊设计的宽带天线结构将太赫兹波转换为表面等离子体波的交变电势；
2）利用等离子体波导的不对称性，整流交变电势以产生光响应信号输出
这种方法可以选择探测器的几何形状以匹配特定的THz频带。