表面等离子体激元简介
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。
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)
表面等离子激元光学传感器的设计与应用
表面等离子激元光学传感器的设计与应用光学传感器一般是指利用光学原理将待测量转换为光学信号来进行检测的一种传感器。
其中表面等离子激元光学传感器（surface plasmon resonance sensor, SPR）是当前非常热门的一种光学传感器。
一、 SPR传感器的基本原理SPR传感器的基本原理是利用金属（一般为金）表面的等离子激元（surface plasmon）共振效应来检测待测物质，该效应是一种与光波和电磁波相似的振荡效应。
当光线以一定角度照射到金属表面上时，光子与自由电子会发生相互作用形成等离子体波动，这些电子的振动频率与所照射的波长和介质中离子的密度相关；当有物质与金属表面靠近时，由于改变了金属表面上的介电常数，会导致共振角度发生移动。
通过对共振角度的测量，可以实现对物质存在、浓度及其它特性的精确检测。
二、 SPR传感器的设计和制备SPR传感器一般由光源、光器件和探测装置组成。
其中光源一般采用波长稳定的激光器，比如：He-Ne激光器、半导体激光器等；光器件则包括反射镜、光路调整器、探测器等。
核心部件是金属薄膜和检测平台。
而金属薄膜的制备是SPR传感器的关键步骤，常用的金属材料是金、银和铜。
金属薄膜制备方法有物理蒸镀和化学沉积两种，其中物理蒸镀法过程简单，需要先将金属加热至液态后由高压气体将其蒸发并沉积在基底上，不过与化学沉积法相比缺乏薄膜表面修饰能力。
化学沉积法则是引入具有还原性的化学物质，利用化学物质还原金属离子形成薄膜，需要加热才能完成化学反应。
三、 SPR传感器在生命科学领域中的应用SPR传感器可用于测定生物分子的密度、析合反应过程中的动力学参数、酶促反应动力学常数以及蛋白质的互相识别等诸多生命科学实验中。
举个例子，SPR传感器可以用来检测特定蛋白与其他分子的相互作用，蛋白结构和功能的相关实验需要用到这种技术。
将一种蛋白质指定集中溶解在荷氏溶液中，荷氏溶液通过SPR芯片，其表面上有金薄膜，金薄膜与蛋白质结合并在金表面形成复合物，SPR传感器可以检测到荷氏溶液在薄膜表面的折射率。
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。
人工表面等离子体激元
人工表面等离子体激元
人工表面等离子体激元是基于表面等离子体激元(SPP)的一种新型结构，由于其具有可控性、高增强性、低损耗性等优点，已经成为纳米光电子学领域的研究热点。
人工表面等离子体激元是通过在金属表面上制作纳米结构，以实现SPP的可控激发和调控。
这些纳米结构可以是周期性的，也可以是随机的，可以是金属纳米颗粒，也可以是纳米线等。
通过控制纳米结构的形状和尺寸，可以调控人工表面等离子体激元的光学性质，如共振波长、增强因子、耦合强度等。
人工表面等离子体激元不仅能够用于表面增强拉曼散射(SERS)、生物传感、太阳能电池、光伏器件等应用，还具有潜在的量子信息处理和量子光学应用。
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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。
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。
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。
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。