表面等离子体激元简介
表面等离子体
LSPs和PSPs的区别局域表面等离子体（Localized Surface plasmons, LSPs）和传播型表面等离子体（Propagating surface plasmons. PSPs）同属于表面等离子体（SPs）1。
表面等离子体（SP）是存在于金属与电介质截面的自由电子的集体振荡2。
SPR是由于入射激光在特殊波长处局域电磁场增强，物理机制是表面增强拉曼散射（Surface-enhanced Raman scattering, SERS）和尖端增强拉曼散射（Tip-enhanced Raman scattering, TERS）。
入射光的电场分量诱导球形金属粒子的表面等离子体共振的原理分析（即图1的解读）3。
当入射光照射到贵金属（如：金、银，见脚注1、3）时，在纳米颗粒表面形成一种振荡电场，纳米颗粒中的自由传导电子在振荡电场的激发下集体振荡，入射光子频率与金属纳米颗粒的自由电子云的集体振动频率相等（入射光波长一定）时，发生局域表面等离子体共振（LSPR）。
亦可解释为入射光在球形颗粒表面产生电场分量，电子的共谐振荡与激发其的振荡电场频率相同时发生共振，诱导产生LSPR 3。
对于LSPs而言，颗粒内外近场区域的场强会被极大增强，原因是：纳米粒子的尺寸远小于入射光波长，使得电子被束缚在纳米粒子周围局域振荡，导致场强增大。
对于PSPs（部分文章中称为：SPPs4，金属与介质界面上的电子集体激发振荡的传播型表面电磁波），其表面等离子激元（即TM模式）如上图所示。
在SPPs 的情况下，沿金属介质界面，等离子体在X和Y方向上传播，在Z方向上衰减，1等离激元学[M]. 东南大学出版社, 2014.2Zhang Z, Xu P, Yang X, et al. Surface plasmon-driven photocatalysis in ambient, aqueous and high-vacuum monitored by SERS and TERS[J]. Journal of Photochemistry & Photobiology C Photochemistry Reviews, 2016, 27:100-112.3邵先坤, 郝勇敢, 刘同宣,等. 基于表面等离子体共振效应的Ag(Au)/半导体纳米复合光催化剂的研究进展[J]. 化工进展, 2016, 35(1):131-137.4王五松, 张利伟, 张冶文. 表面等离子波导及应用[J]. 中国光学, 2015(3):329-339.衰减长度约200nm。
sers概念
SERS概念
增强拉曼散射(Surface Enhanced Resonance Scattering，简称SERS)是一种表面增强现象，它是指在某些金属或金属氧化物表面，当入射光的频率与金属的表面等频率相近，且入射光的光强足够强时，金属表面会产生局域表面等离子体激元（Localized Surface Plasmons，LSPs），并使光强在表面附近达到很高的值，从而显著增强拉曼散射强度的现象。
SERS的原理可以简单地概括为：当光照射在金属表面时，金属表面会激发出表面等离子体，这些等离子体的振动和传播会与周围的介质相互作用，形成共振，从而使得拉曼散射的强度显著增强。
这种现象通常在金属纳米颗粒表面或金属纳米线阵列表面上发生，这些表面由于具有局域表面等离子体激元，可以极大地增强拉曼散射的强度和灵敏度。
SERS现象的发现和应用推动了表面增强拉曼散射技术的发展，这种技术已经被广泛应用于生物医学、环境监测、材料科学、食品安全等领域。
例如，在生物医学领域，SERS 可以用于检测生物分子、药物等的浓度和活性；在环境监测领域，SERS可以用于监测环境中的污染物和有害物质；在材料科学领域，SERS可以用于研究材料的表面和界面性质，以及材料的催化、磁性、光学性质等。
总之，增强拉曼散射是一种表面增强现象，它利用金属
纳米颗粒或金属纳米线表面局域表面等离子体激元的特性，显著增强拉曼散射强度，从而在生物医学、环境监测、材料科学等领域具有广泛的应用。
表面等离子体效应
表面等离子体效应表面等离子体效应（Surface Plasmon Resonance，简称SPR）是一种基于光学原理的传感技术，广泛应用于生物医学、环境监测、食品安全等领域。
它利用金属表面的等离子体共振现象，实现对溶液中生物分子的检测和分析。
SPR技术的原理是基于金属表面的等离子体共振现象。
当光通过金属表面时，电磁场与金属表面的自由电子发生相互作用，激发出表面等离子体波。
当入射光的角度和波长满足一定条件时，表面等离子体波会出现共振现象，此时发生的现象被称为SPR。
这种共振现象与金属表面上的折射率有关，当有生物分子与金属表面结合时，折射率发生变化，从而改变了SPR共振角度和共振曲线，通过监测这些变化可以得到生物分子的信息。
SPR技术的优势在于其实时、无标记、非破坏性的特点。
相比传统的生物分析方法，如酶联免疫吸附实验（ELISA）、荧光标记等，SPR 技术无需标记物，不会对样品造成污染，避免了标记物带来的误差和干扰。
另外，SPR技术可以实现实时监测，不需要复杂的前处理步骤，节省了时间和成本。
在生物医学领域，SPR技术被广泛应用于蛋白质相互作用、药物筛选、病原体检测等方面。
通过将一种生物分子固定在金属表面上，并注入待检测的样品，当样品中存在与固定生物分子有特异性相互作用的分子时，SPR共振角度和共振曲线会发生变化，从而可以判断样品中是否存在目标分子。
这种方法可以高灵敏地检测低浓度的分子，为药物研发和疾病诊断提供了有力的工具。
除了生物医学领域，SPR技术还被应用于环境监测和食品安全领域。
例如，通过将特定的抗体固定在金属表面上，可以实现对水中污染物的快速检测；将食品中的残留农药与金属表面上的抗体结合，可以实时监测食品中的农药残留情况。
这些应用不仅提高了检测的灵敏度和准确性，同时也节省了检测时间和成本，为环境保护和食品安全提供了保障。
虽然SPR技术在生物医学、环境监测和食品安全等领域具有广泛的应用前景，但也存在一些挑战和限制。
表面等离子体光子学.pptx
相关应用/表面等离子体光子学
表面等离子体数据存储技 利振术用态金的属敏纳感米，颗我粒们对可入以射通光过波在长三和维偏空
间集成不同的金属颗粒，从而实现五 维的数据存储（图7）。存储密度相对 于现有技术实现了指数倍增长，高达 每立方厘米1Tbit！如图7所示，在存 储介质的同一个空间位置，因为具有 对入射光波长和偏振态的敏感性，可 以实现对不同图形的分别写入和读出， 极大的提高存储密度。
什么是表面等离子体
表面等离子体
（Surface Plasmons，SPs）
是指在金属表面存在的自由振 动的电子与光子相互作用产生 的沿着金属表面传播的电子疏 密波。
是一种电磁表面波
在表面处场强最大 在垂直于界面方向是指数衰减场 既能够被电子激发也能被光波激发
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等离子体和表面等离子体是什么关系
Plasma
区别
一般提起等离子体，大家想到的是电离的空气或者太阳上的高温物质。但是，你 如果仔细考虑一下金属的自由电子模型，那么在正离子背景中运动的自由电子 “气”也是一种“等离子体”。金属中正离子晶格的集体振荡可以量子化为声子 的产生、传播与湮灭；同样，金属中自由电子气的集体振荡也可以看做是一种集 体激发，也可以量子化为某种准粒子的作用。
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相关应用/表面等离子体光子学
表面等离子体太阳能电池
能源问题是未来社会发展的核心问题。太阳能作为一种可持续发展的清洁 能源一直受到很大的关注。然而目前太阳能电池模块较低的能量转换效率 使得大规模的应用还无法实现。金属纳米结构的引入可以通过光散射引起 的光腔效应（图 a），局域等离子体激元效应（图 b）和表面等离子体激 元效应（图 c）大大提高光转换效率。
等离激元超表面
等离激元超表面等离激元超表面是近年来新兴的一种材料，由于其优异的光学性能和广泛的应用前景，备受研究者们的关注。
以下将从定义、制备、性质以及应用等方面，分步骤对等离激元超表面进行阐述。
一、定义等离激元超表面，指的是将等离子体激元技术与超级材料技术相结合所形成的一种新型超材料。
它是一种用微纳加工技术将金属或其他介质纳米结构排列在规则或不规则的表面上，形成能够调控光学等性质的材料。
二、制备等离激元超表面的制备主要分为两步：首先是在基底上制备金属或介质的纳米结构，然后再在该材料表面上引入等离激元。
制备纳米结构的方法有：电子束光刻、扫描电子显微镜体刻、立体激光打印等。
而在强化等离激元的过程，主要使用的是胶体化学法、蒸发法、溅射法等技术。
三、性质相对于传统的材料，等离激元超表面有着许多独特的光学和电学性质。
它的最大特点是能够控制光的传播和反射，其金属表面形成的纳米结构可以将电磁波吸收和扩散，从而呈现出强烈的吸收和传播效应。
此外，等离激元超表面还拥有优异的色散关系，可以对不同波长的光产生特定的反射效果。
四、应用等离激元超表面的应用领域非常广泛，可用于制作光学元件、传感器、超敏探测器等。
例如，可以用等离激元超表面制作高效的太阳能电池，或者将其应用于纳米生物学等领域，实现对微生物和细胞的高精度检测。
此外，在信息领域，等离激元超表面的应用也具有重要意义，例如在通信和数据存储等方面，能够实现更高效的光电子集成。
总之，等离激元超表面是一种新兴的材料技术，具有许多独特的性质和应用前景，对未来的科学研究和产业发展都具有重要的推动作用。
表面等离子体受激辐射放大技术简介
ms
p
1
spaser量子密度矩阵方程
• SP的本征模式 r 由波动方程表示：
n
• 其中n是模式数，Sn是对应的本征值，是特 征函数，当r为金属时等于1，r为电介质时 为0。
r
• 本征模式通过对体积V的积分进行归一化， SP的物理频率由方程 Resn sn 确定 d • 其中 s / 是Bergman谱参数，是空 气的节点常数， 是金属介电常数。
2
2 p 4 n e 1 1 * * e ( ) 1 4 1 1 2 2 1 m 1 i 1 i 1
• 若忽略衰减，即
1 时，有：
2 * ( ) 1 p 2
• 根据等离子体理论，产生固体等离子体波应满足
• 开关构件的优化 • 开关构件的基本功能是利用外部泵浦的有无来有 效地控制双稳态的转换从而实现光学上的开关作 用，并进一步组成逻辑门。当SPASER双稳态放 大器得到有效泵浦时，具备一定强度的信号会顺 利通过并得到放大。当泵浦消失，放大区介质会 表现为对信号波的吸收，加上传输部分的衰减， 信号会削弱。通过计算无泵浦时的衰减率，可以 初步估算到器件开关特性的信号强度区间。通过 对脉冲泵浦下反转粒子数时间特性的研究，结合 双稳态放大器的驰豫特性，讨论器件的开关速率。 逻辑门的构建则涉及到利用信号控制泵浦脉冲的 问题，为此信号与泵浦的时序问题在设计中已经 考虑。
表面等离子体受激辐射放大技术 研究
在金属中，价电子为整个晶体所 共有，形成所谓费米电子气。价电 子可在晶体中移动，而金属离子则 被束缚于晶格位置上，但总的电子 密度和离子密度是相同的，从整体 来说金属是电中性的。人们把这种 情况形象地称为“金属离子浸没于
表面等离子体激元基本特征研究
表面等离子体激元基本特征研究李继军;吴耀德;宋明玉【摘要】表面等离子体激元(Surface Plasmon 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SPP有关的4个特征长度:SPP波长、SPP在界面上的传播距离以及SPP在介质和金属中的穿透深度.【期刊名称】《长江大学学报（自然版）理工卷》【年(卷),期】2007(004)004【总页数】4页(P46-49)【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【作者】李继军;吴耀德;宋明玉【作者单位】长江大学物理科学与技术学院,湖北,荆州,434023;长江大学物理科学与技术学院,湖北,荆州,434023;长江大学物理科学与技术学院,湖北,荆州,434023【正文语种】中文【中图分类】O437.5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*长江大学科研发展基金项目(2006Z2074)。
如图1所示，金属和介质的分界面在z=0处，εd是介质的介电常数，εm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,TE)和横磁波(Transverse Magnetic,TM)2种不同的偏振模式在界面上传播。
电场垂直于图1中的XOZ平面是TE模，磁场垂直于图中的XOZ平面是TM模。
表面等离子共振ru
表面等离子共振ru表面等离子共振（Surface Plasmon Resonance，简称SPR）是一种重要的光学分析技术，广泛应用于生物医学、化学和材料科学等领域。
本文将介绍SPR的基本原理、应用和发展前景。
一、基本原理SPR是通过金属和介质的界面上的等离子共振现象实现的。
当金属表面被激发时，电子和电磁波之间发生相互作用，产生等离子共振。
这种共振现象使得金属表面形成一种特殊的电磁场分布，称为表面等离子波（Surface Plasmon Wave，简称SPW）。
SPW的存在对光的传播和吸收产生显著影响，从而提供了一种探测物质界面性质和分子相互作用的方法。
二、应用领域1. 生物医学领域：SPR技术在生物传感器、药物筛选、蛋白质-蛋白质相互作用研究等方面具有重要应用。
利用SPR技术可以实时监测生物分子的结合、解离过程，从而研究分子识别、抗体-抗原相互作用等生物学过程。
2. 化学分析领域：SPR技术可以用于表面活性剂、薄膜和薄层材料的研究。
通过SPR技术可以实时监测薄膜的生长和变化过程，分析化学反应的动力学参数，研究表面化学反应机理等。
3. 材料科学领域：SPR技术可以应用于金属纳米颗粒的表面增强拉曼散射（Surface Enhanced Raman Scattering，简称SERS）。
SERS技术结合了SPR和拉曼散射技术的优势，可以实现对微量物质的高灵敏度检测，具有重要的应用前景。
三、发展前景SPR技术在生物医学、化学和材料科学等领域的应用前景广阔。
随着纳米技术和生物技术的快速发展，SPR技术也得到了进一步的提升和创新。
例如，利用纳米结构调控等离子共振的性质，可以实现更高的灵敏度和分辨率，应用于更复杂的生物体系研究。
此外，SPR 技术与其他分析技术的结合，如拉曼光谱、质谱等，也将为相关领域的研究提供更多可能性。
总结：表面等离子共振是一种重要的光学分析技术，具有广泛的应用前景。
通过研究SPR的基本原理，可以实现对生物分子、化学反应和材料表面的实时监测和分析。
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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，并着有相关着作。
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着变化，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。