表面等离子体光子学
表面等离子体光子学（Plasmonics）
表面等离子体是指沿着金属表面传播的电子疏密波。这种表面电磁波具
有特殊的色散关系。在相同频率下，表面等离子体波的波矢远大于空气
中的光波矢。通过棱镜或者光栅耦合，入射光可以实现和表面等离子体
的耦合，行成表面等离子体激元（surface plasmon polariton）。
图1 金属和介质界面的表面等离子体波及其色散关系
表面等离子体波沿着金属介质界面传播，而在垂直于界面方向是消逝
波。同时由于它的波长非常小，因此可以实现纳米级的二维甚至三维的
能量局域。这样不但可以实现高密度的集成，也同时获得了极高的能量
密度。因此表面等离子体在纳米光子学、纳米加工、数据存储，显微
镜，太阳能电池和生物传感等方面具有广阔的应用前景。
表面等离子体集成电路
电子器件的信息载荷量有限，无法满足对高速高容量信息处理的要求。
光子器件具有高速高带宽的特点，光子计算机也成为人们对下一代信息
处理设备的希望。然后光子器件尺寸一般都在波长量级，随着尺寸减小
损耗会很快上升，无法完成和现有纳米尺寸的电子器件互连。表面等离
子体波同时具有高局域和高带宽的特性，成为一个可能的解决方案。
图2 表面等离子体纳米激光器
表面等离子体生物传感技术
因为表面等离子体波在表面的局域特性，它的振荡态对表面环境特别敏
感，因而可以制作高敏感高集成的传感器，用于对细胞活动的实时探
测。传统的表面等离子体采用棱镜耦合的平面金属膜实现生物探测，其
尺寸大，需要对准。金属纳米颗粒对入射光选择性的散射或透射同样可
以用于生物探测，这种方案具有体积小和平行探测的优势。
图3 基于均匀金属膜的表面等离子体生物探测器
表面等离子体数字成像技术
金属纳米结构的选择性散射或者透射效应在中世纪已经被世人发现。将不同的金属纳米颗粒加入到玻璃中可以实现不同的色彩。随着纳米加工
技术的发展，如果将金属纳米结构引入到成熟廉价的CMOS工艺中来实
现数码成像设备需要的彩色滤波功能，不仅省去了普通的染色滤波器工
艺，同时降低了串扰并增加了更多的功能性。
图4 （a）普通的包括染色滤波器的CMOS图像处理器示意图，（b）应
用表面等离子体滤波器的新型CMOS图像处理器示意图。
表面等离子体纳米光刻技术
图5 高速纳米光刻技术
金属纳米结构可以在纳米尺寸控制表面等离子体波的传播，进而实现聚
波、分波和导波的功能。利用可以聚焦表面等离子体波的等离子体金属
透镜可以获得一百纳米甚至更小的局域波，来实现无掩模版的近场纳米
光刻。这对未来的微电子设备继续小型化集成化发展具有极大的推动作
用。
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6 a），局域等离子体激元效应（图6 b）和表面
等离子体激元效应（图6 c）大大提高光转换效率。
图6 表面等离子体太阳能电池技术
表面等离子体数据存储技术
利用金属纳米颗粒对入射光波长和偏振态的敏感，我们可以通过在三维
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。
图7 利用金属颗粒实现五维的数据存储
表面等离子体共振在纳米材料制备中的应用
表面等离子体共振在纳米材料制备中的应用
纳米材料的制备一直是材料科学领域的研究热点，而表面等离子体共振（surface plasmon resonance，SPR）作为一种强大的表征和探测技术，已经在纳米材料的制备中得到了广泛的应用。本文将探讨表面等离子体共振在纳米材料制备中的应用及其意义。
一、表面等离子体共振技术概述
表面等离子体共振技术是一种基于金属纳米结构表面电磁波的共振现象研究的技术。当入射光与金属纳米结构表面发生共振时，会激发出表面等离子体，从而引起金属的电磁场集体振荡。这种共振现象可以通过光学谱学等技术进行表征和测量，可以提供有关纳米材料的信息，如形貌、尺寸、形成机理以及表面等离子体的电场分布等。
二、表面等离子体共振在纳米材料制备中的应用
1. 纳米颗粒制备
表面等离子体共振技术可以用于纳米颗粒的制备，通过调节金属纳米颗粒的形状和尺寸，可以实现对颜色和光学性能的调控。通过激发金属纳米颗粒的表面等离子体共振，可以产生强烈的局部电场增强效应，从而实现光电催化、光学传感和光子晶体等应用。此外，表面等离子体共振还可以通过控制纳米颗粒的形状和排列方式，实现可见光的隧穿透镜和超分子化学反应的调控。
2. 纳米薄膜制备 表面等离子体共振技术在纳米薄膜制备中也发挥着重要的作用。通过将光敏材料结合到金属薄膜的表面，可以实现对金属薄膜光学性质的调控。表面等离子体共振技术可以通过对金属薄膜的厚度、结构和材料的选择进行优化，从而实现纳米薄膜的高效传感、光电特性和光谱响应等应用。此外，通过在金属薄膜表面引入纳米结构，还可以实现纳米薄膜的超表面等离子体共振效应，从而产生表面增强拉曼散射、光电子能谱和光子晶体等效应。
3. 纳米器件制备
表面等离子体共振技术在纳米器件制备中的应用也日益广泛。通过利用表面等离子体共振效应，可以实现纳米器件的高灵敏度传感、超分辨率成像和超快光学调控等功能。例如，利用表面等离子体共振技术可以制备超灵敏的表面等离子体共振传感器，实现对微量生物分子的检测和分析。此外，通过结合纳米光子学和表面等离子体共振技术，还可以实现纳米光子晶体传感器、光逻辑门和纳米光子网络等器件的制备。
第2章 光子电子离子等离子体
第二章 光子、电子、离子和等离子体 光子、电子和离子束和等离子体是现代微细与纳米加工最重要的手段。在美国召开的、最重要的关于微细与纳米加工技术的国际会议: International Conference on Electron, Ion & Photon Beams & nano fabrications。 2.1 光波与光子（Photon） 现代物理概念, 光具有二象性：微粒与波。 微粒：光子。基本特点是离散即量子化效应。光的微粒性典型体现在光电效应、康普顿效应和光子与正负电子转化现象上；黑体辐射要用微粒概念才能解释。 波：电磁波，矢量波场。基本特点包括其弥散性存在形态、其时间和空间的周期性。波动性的典型体现是干涉和衍射现象。 微粒特征与波动特征之间的联系： 光子能量 ωνhhE== 光子动量 λ/hhkp== 光子能量越高，光波波长越短，微粒及量子性越明显；反之依然，光子能量越低，光波波长越长，波动性越明显。 电磁波谱：频率、波长、光量子能量、温度。光量子能量与频率、波长，以及温度与黑体热辐射最可几波长关系： KmTchEm⋅×===−310896.2,,λλνν 无线电波：几百米波（中波），几十米波，几米波（短波） 微波：分米波，厘米波，毫米波 T赫兹波：亚毫米波；某些驰豫过程 红外线：微米波；分子作用，振动能级，转动能级 （可见）光：亚微米波；能量 eV；最外层（价）电子作用 紫外线：亚微米－纳米波；能量 几十－几百eV X射线：纳米－亚纳米－亚埃波；能量0.几-几十keV；内层电子作用 Γ射线：能量MeV及以上；原子核及基本粒子过程
2.2 光源及其相干性 光源有多种：例：白炽灯、卤钨灯－热辐射光源；钠灯、水银灯、Xe灯－气体放电光源；日光灯－气体放电＋荧光光源；激光器－受激辐射光源。 特征：亮度、波长（颜色），相干性。 微细加工技术中光源的用途：曝光光刻系统光源；激光诱导化学汽相淀积和外延；激光蚀刻；激光退火和热处理；激光机械加工——钻孔、切割和焊接。 以下主要针对高分辨的光刻曝光技术光源。 2.2.1 弧光放电灯 弧光放电是一种气体放电形式。曝光用可见光源，主要为高压水银灯，功率500～1000W。这是一种气体弧光放电光源，是现代技术中最亮的人工非相干光源。高压气体放电形成相当高的温度，水银气化放电，压强可达40个大气压，弧光放电等离子体的典型温度达40000K，其连续谱辐射波长范围200～600nm，光谱由热辐射本底连续谱上的很多特征谱线构成。其所谓g-line（436nm）和i-line（365nm）的单色特征谱线较强而常用。i线已是紫外射线，经滤光镜滤掉连续谱后常用于高分辨的分布重复曝光和掩模制备系统。与常用的光致抗蚀胶的吸收（敏感）配合的主要波长段是300～450nm。 2.2.2 激光光源 使用激光代替放电灯主要因素是激光的单色性、高亮度、好的准直性（非常小的发散角）和相干性。在与光谱和光化学有关的场合，单色性和狭窄的波长范围显得更为重要。典型使用的激光器有氩离子激光器、钕玻璃和钕石榴石激光器和二氧化碳激光器。在激光退火中常用使用Q开关的钕玻璃和钕石榴石激光器，或脉冲能量密度为0.5～10J/cm2的红宝石激光器。 光源 亮度(W/cm2·sr) 谱亮度(W/cm2·sr·Hz) 1 KW弧光水银灯 103 10-10 10W Ar+激光器 4×109 1 100W CO2激光器 108 10 1J 10ns脉冲 钕玻璃激光器 1016 103
表面等离子体激元简介
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。
表面等离子体增强LED发光效率的原理分析
科学中国人
表面等离子体增强LEO发光效率的原理分析
李丽芳
广东南方职业学院
摘要:表面等离子体具有表面受限性和局域场增强性等特点
可以用来增强发光任D的发光效率。本文根据表面等离子体的特性探讨表面等离子体增强任D发光效率的基本原理。表面等离子
体在共振时具有很高的态密度当共振频率与发光频率相匹配时
可以提高发光中心的内量子效率从而增强LED的发光效率。
关键词:表面等离子体;共振频率;发光效率因素很多包括半导体发光中心与金属的距离、金属结构的形状、
发光波长与等离子共振带的关系等这些因素在不同的发光体系
中所占的比重不同增强效果也有所不同。
利用Mathelalitca软件求得空气一金属薄膜一氮化嫁三层介
质的色散曲线:
口j目祖忍摇匕谧1表面等离子体的概念
表面等离子体就是光激发金属材料表面的自由电子使电子
集体在纵向起伏相干振荡而产生在金属与介质界面的电磁波。它
具有表面受限性和局域场增强性等特点。当金属层受到外电磁场的作用时内部自由电子密度会重新分布使金属表面两边产生电
场若金属与电介质界面两侧电场垂直分量不连续再受到平行金属表面电场的刺激会使界面处金属电荷发生集体式电偶极震荡即为表面等离子体共振现象。当光频率大于金属等离子共振频率
时金属表现为介质特性光能穿透过金属继续传播。当光频率小于金属等离子共振频率时金属与介质的相对介电常数互为相反
数其频率为表面等离子体频率。若光频率小于表面等离子体频
率存在的表面等离子体是一种表面束缚模式;而当光频率大于表面等离子体频率时光能透过金属是一种辐射模;在表面等离子
体频率与光频率之间模式不存在。因此只有金属的相对介电常
数实部为负且绝对值大于介质的相对介电常数时才会产生表面
等离子体。金属的介电常数系数为:二二=二二一崛/脚2+i州)
其中。:光频率;。,:金属等离子共振频率;下:自由电子碰
撞频率。金的二二取984。,取geV下取67IneV;银的二二取37
。,取9leV下取18IneV。
2表面等离子体增强发光的理论分析
表面等离子体共振 波尔激发半径
表面等离子体共振 波尔激发半径
表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）是一种用于分析生物分子相互作用的技术。该技术利用金属（通常为银或金）薄膜上的表面等离子体共振效应，通过测量生物分子与金属界面上形成的复合物对表面等离子体共振的影响来分析生物分子之间的相互作用。
SPR技术的原理是基于光学现象，即当波长和振荡方向一定的光线入射到金属和介质之间的界面时，会产生表面等离子体共振。此时，光子的能量被吸收，导致界面上电子得到激发并形成电磁波，电磁波又被转化为光子能量，从而在反射光中产生谷值。这个谷值即为SPR信号。
SPR技术的优势在于可以实时、无标记地监测生物分子之间的相互作用，包括生物分子与小分子、细胞膜、 DNA、 RNA、糖类等的相互作用。因此，SPR技术在生物学、药学、化学等领域的应用非常广泛，如药物筛选、病毒检测、抑制剂研究等。
波尔激发半径是指一个原子所能够释放出的最大光子能量所对应的光子波长。此概念起源于量子力学中对原子的激发和辐射的研究。波尔激发半径是确定原子的相对大小和位置的有用指标，可用于计算原子的激发和辐射的特性，并用于分析原子与光之间的相互作用。
在SPR技术中，波尔激发半径的概念被用于计算生物大分子（如蛋白质、抗体等）在金属表面上形成复合物的最小间隔距离。这个最小间隔距离决定了生物大分子之间的相互作用能够被SPR技术所检测到的程度。如果两个生物大分子之间的距离小于其波尔激发半径，则SPR技术可以非常明确地检测到它们之间的相互作用。反之，如果两个生物大分子之间的间隔距离大于其波尔激发半径，则SPR技术无法准确地检测到它们之间的相互作用。
综上所述，表面等离子体共振技术和波尔激发半径概念的结合广泛应用于生物科学、药学和化学等领域，为研究生物分子及其相互作用提供了重要的方法和工具。
太阳能电池材料的表面等离子体共振增强特性分析
太阳能电池材料的表面等离子体共振增强特性分析
发展清洁能源是当今全球范围内共同的目标。在各种清洁能源技术中，太阳能发电技术是最为成熟和广泛应用的技术之一。然而，目前太阳能电池的效率还不够高，其成本较高，不能满足巨大的能源需求。因此，研究太阳能电池的材料和性能具有极其重要的意义。其中，表面等离子体共振技术的应用在太阳能电池中增强光吸收效率，已成为研究热点之一。
表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）指的是金属与电磁波相互作用引起的特殊光学现象，可以增强金属表面的光吸收、增强表面增强拉曼光谱和荧光。在太阳能电池中，SPR技术可以增强光吸收、提高光电转换效率以及减少材料的厚度。因此，如何利用SPR技术在太阳能电池中发挥作用，已成为太阳能电池研究领域的热门议题。
太阳能电池中的SPR技术应用
在太阳能电池中，SPR技术可以通过纳米结构与光子晶体的形式进行实现。在太阳能电池中，有多种金属无机结晶材料可以通过制备纳米结构来增强SPR效应，如金属银、金、铜、钴等。其中，金属银是最为常用的金属材料，具有较高的光吸收系数和SPR吸收波长范围，其制备方式包括溶液合成法、热蒸发法、电化学沉积法、自组装法、等离子体刻蚀法等。
除银以外，金和铜也可以作为太阳能电池中的SPR增强器。不同于银纳米颗粒的SPR吸收区域集中在UV-Vis光谱范围细微区域，金和铜的SPR吸收带较宽，同时拥有更长的展宽范围和更宽的吸收带。这些性质使得金和铜在太阳能电池中性能的调控具有广泛的应用前景。
太阳能电池中的表面等离子体共振增强特性分析 太阳能电池中的表面等离子体共振效应具有以下几种增强特性：
1. 增强光吸收效率
在太阳能电池中，金属纳米颗粒的SPR效应可以增强光吸收。当太阳辐射穿过电池表面，光学场相互作用双重作用下，电池中的电子能隙会发生变化。当光子能量和金属的自由电子能级相匹配时，光的能量会转化为电的能量，这就是表面等离子体共振。
贵金属纳米颗粒表面等离子体效应解释
贵金属纳米颗粒表面等离子体效应解释
贵金属纳米颗粒表面等离子体效应是一种在纳米尺度下发生的现象，涉及到贵金属纳米颗粒的光学性质和电磁性质。以下是对这一效应的详细解释：
1. **贵金属纳米颗粒：** 贵金属通常包括黄金、银等，它们在纳米尺度下表现出特殊的性质。当这些贵金属被制备成纳米颗粒时，其表面积相对较大，同时其电子结构和光学性质也会发生显著变化。
2. **等离子体效应：** 在贵金属纳米颗粒的表面，存在一种称为等离子体效应的现象。这涉及到材料中自由电子的集体振荡。当贵金属纳米颗粒受到光照时，光子能量激发了金属中的自由电子，导致它们在颗粒表面形成一种共振振荡的状态，即等离子体振荡。
3. **光学性质变化：** 等离子体效应导致贵金属纳米颗粒对光的吸收、散射和透射发生变化。其中，最引人注目的是吸收和散射的增强。由于等离子体振荡的共振效应，贵金属纳米颗粒能够高效地吸收和散射光，使其光学性质发生显著调制。
4. **应用：** 贵金属纳米颗粒表面等离子体效应在许多应用中得到了利用，包括传感器、生物标记、光学成像、纳米激光和表面增强拉曼散射（Surface-Enhanced Raman Scattering，SERS）等领域。这些应用充分利用了等离子体效应引起的光学增强现象，提高了各种技术的性能。
总体而言，贵金属纳米颗粒表面等离子体效应是纳米技术领域中的一个重要现象，为许多领域的研究和应用提供了新的可能性。
金属纳米结构表面等离子体共振的调控和利用
金属纳米结构表面等离子体共振的调控和利用
一、引言
金属纳米结构表面等离子体共振是一种新颖且引人注目的现象，它能够在纳米尺度上引发表面等离子体振动，产生极强的电场增强效应。这一现象在光学、电子学、传感器和生物医学等领域具有潜在的应用价值。本文将深入探讨金属纳米结构表面等离子体共振的调控和利用，带领读者进入一个未知领域，深度挖掘其潜力和应用前景。
二、概述
金属纳米结构表面等离子体共振是指金属纳米结构在受激光照射时，表面自由电子被激发而引起的等离子体振动。这种振动在可见光和红外区域表现出特定频率的共振特性，可以产生强烈的光场增强效应，从而被广泛应用于传感器、表面增强拉曼光谱等领域。通过调控金属纳米结构的形貌、大小和排列方式，可以进一步调控其表面等离子体共振效应，实现在不同频段的光学响应，为光子学器件的设计和制备提供了新思路。
三、金属纳米结构表面等离子体共振的调控
1. 形貌调控
通过调控金属纳米结构的形貌，比如尺寸、形状和结构，可以实现对其表面等离子体共振的调控。通过控制金纳米粒子的直径，可以调整其等离子体共振的频率，实现在不同波段的光学响应。
2. 材料选择
不同金属材料具有不同的等离子体共振特性，因此材料的选择也是调控表面等离子体共振的重要手段。比如银纳米结构表现出更强的等离子体共振效应，因此在一些高灵敏度传感器和光学器件中有广泛的应用。
3. 外界条件调控
通过外界条件的调控，比如温度、压力和介质等，也可以对金属纳米结构表面等离子体共振进行调控。这一手段对于生物医学领域的应用具有重要意义，可以实现在生物介质中的高灵敏度检测。
四、金属纳米结构表面等离子体共振的利用
1. 传感器
金属纳米结构表面等离子体共振具有高灵敏度和选择性，因此在化学、生物、环境等领域的传感器中有重要应用。通过表面等离子体共振效应，可以实现对微量分子的检测，具有广阔的应用前景。
2. 表面增强拉曼光谱
金属纳米结构表面等离子体共振效应还可以实现对拉曼光谱的增强，被广泛应用于化学成分分析、生物分子检测等领域。这一技术具有高灵敏度和高空间分辨率，对于微观结构和成分的表征有重要意义。
表面等离子体共振类熊猫型光子晶体光纤传感器
第４１卷 第７期 ２０１１年７月 激光与红外 ＩＡＳＥＲ ＆ ＩＮＦＲＡＲＥＤ Ｖｏ１．４１，Ｎｏ．７ Ｊｕｌｙ，２０１１ 文章编号：１００１－５０７８（２０１１）０７－０７８４－０４ ・光纤技术・ 表面等离子体共振类熊猫型光子晶体光纤传感器 邴丕彬 ，姚建铨 ，黄晓慧 ，陆颖 ，邸志刚 ，杨鹏飞 （１．天津大学精密仪器与光电子工程学院激光与光电子研究院，光电信息技术科学教育部重点实验室，天津３０００７２； ２．华北水利水电学院电力学院，河南郑州４５０００８；３．河北联合大学电气工程学院，河北唐山０６３００９） 摘要：分析了基于表面等离子体共振类熊猫型的光子晶体光纤传感器，采用基于全矢量有限 元法（ＦＥＭ）对光纤模式进行了数值计算，在各向异性完美匹配层（ＰＭＬ）边界条件下，求解模 场的有效折射率。讨论了各个参量的尺寸对传感的影响。计算表明，激发的等离子体对环境 介质折射率的变化非常敏感，所设计传感器最大光谱灵敏度达到２ ｔｘｍ／ＲＩＵ，若光谱仪的分辨 率为１０ ｐｍ，则传感器的分辨率可以达到５×１０～ＲＩＵ。 关键词：表面等离子体共振；光子晶体光纤；传感器；折射率 中图分类号：ＴＮ２１２．４ ４ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—５０７８．２０１１．０７．０１６ Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｓｅｎｓｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｎｅａｒ－ｐａｎｄａ ｃｌａｄｄｉｎｇ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｂｅｒ ＢＩＮＧ Ｐｉ．ｂｉｎ ＇ ，ＹＡＯ Ｊｉａｎ．ｑｕａｎ ，ＨＵＡＮＧ Ｘｉａｏ．ｈｕｉ。，ＬＵ Ｙｉｎｇ ，ＤＩ Ｚｈｉ—ｇａｎｇ ， ，ＹＡＮＧ Ｐｅｎｇ—ｆｅｉ （１．Ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｌａｓｅｒ ａｎｄ Ｏｐｔｏｅｌｅｅｔｒｏｎｉｃｓ，Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ａｎｄ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ（Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ），Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３０００７２，Ｃｈｉｎａ；２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ，Ｎｏａｈ Ｃｈｉｎａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ ａｎｄ Ｈｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５０００８，Ｃｈｉｎａ；３．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｂｅｉ Ｕｎｉｔｅｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔａｎｇｓｈａｎ ０６３００９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ Ｒｅａｌ＂一ｐａｎｄａ ｃｌａｄｄｉｎｇ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｂｅｒ（ＮＰＣ ＰＣＦ）ｂａｓｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ（ＳＰＲ）ｓｅｎｓｏｒ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｐｅｒｆｅｃｔｌｙ ｍａｔｃｈｅｄ ｌａｙｅｒ（ＰＭＬ），ａ ｆｕｌｌ—ｖｅｃｔｏｒ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ（ＦＥＭ）ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｆｉｂｅｒ ｍｏｄｅ１．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅ ｆｉｅｌｄ ｉｓ ｆｉｎａｌｌｙ ｏｂｔａｉｎｅｄ． Ｔｈｅ ｓｉｚｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｖａｒｉｏｕｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｍｏｄｅ ｉｓ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｔｏ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ａｄｊａｃｅｎｔ ａｎａｌｙｔｅ．Ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ ｃａｎ ｂｅ ａｂｏｕｔ ２￣ｍ／ＲＩＵ．Ｉｔｓ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｃａｎ ｒｅａｃｈ ５×１０～ＲＩＵ ｉｆ ｔｈｅ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ ｈａｓ ａ ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｏ— ｌｕｔｉｏｎ ｏｆ １０ ｐｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ（ＳＰＲ）；ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｂｅｒ（ＰＣＦ）；ｓｅｎｓｏｒ；ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ １ 引 言 光纤传感器具有灵敏度高、抗干扰、结构简单、 光路可弯曲、方便携带等优点，有着非常广泛的应用 前景¨ Ｊ。然而，采用普通光纤作为敏感元件的光 纤传感器存在耦合损耗大、保偏性差和存在交叉敏 感问题等若干难以克服的缺点，限制了传感器性能 的进一步提高。 光子晶体光纤（ｐｈｏｔｏｎｉｃ－ｃｒｙｓｔａｌ—ｆｉｂｅｒ，ＰＣＦ）又称 微结构光纤，有很多奇特的性质，如宽的单模传输特 性、高双折射系数、可控色散、高非线性系数以及可 进行微结构设计改造等，因此在新型光纤器件的研 制方面受到重视 。采用光子晶体光纤制作的微 基金项目：国家重点基础研究发展计划“９７３”项目（Ｎｏ． ２０１０ＣＢ３２７８０１）资助。 作者简介：邴丕彬（１９８２一），男，博士研究生，主要研究方向为 光子晶体光纤传感器。Ｅ－ｍａｉｌ：ｂｉｎｇ４６３２３３＠１６３．ｃｏｎ 收稿日期：２０１１－０３－０２；修订日期：２０１１－０
第12讲_局域表面等离子体
2014/3/3
1
第12讲:等离子体(IV)——局域表面等离子体
课本:
S.Maier,Plasmonics:FundamentalsandApplications,Chap.5董国艳
中国科学院大学材料科学与光电技术学院纳米光学(Nano-Optics)研究生课程
2课前思考:
•
•金子小颗粒(nm-size)是什么颜色的?
为什么它们会成像不同的颜色?
2014/3/3
2
31.金属纳米粒子的局域表面等离子体(Localized surface plasmonsLSPs）
−
−
−
−偶极辐射的回顾
LSP的纳米粒子（准静态近似）
LSPR的大小和形状依赖性（Mie理论）LSP的纳米棒（Gans理论）
3. LSP粒子之间的耦合
4.LSP的复杂的纳米结构–球壳
5. 体积等离子体，SPP和LSP的比较本讲内容
2. LSP的共振条件− LSP同SPP的差异
− 金属纳米粒子的色彩效果
− 各种金属纳米粒子
41.金属纳米粒子的LSP
•SPPs:在金属-电介质延展界面上的SP传输(光子耦合为SP).
+-+k
•LSPs(localized surface plasmons局域表面等离子体):
在金属纳米粒子/纳米空腔的封闭表面上不传播的SPs
•LSP的激发将影响透过纳米粒子的光的
消光比(= 吸收+散射) →色彩效果
extinction:消光比，absorption:吸收，scattering:散射LSP被约束在粒子上
2014/3/3
3
5金属粒子的色彩效应
过去:
不同的形状&大小→不同的色彩Aucolloidsinwater
(M.Faraday~1856)LycurgusCup
教堂窗户上的
彩色玻璃今天(出于同样原理):
colloid:胶体，stainedglass:彩色玻璃聚焦和传导光
到纳米粒子上金属纳米粒子胶体
6Nano-
shell
Nano-
prismNano-
pentagonNano-rod
Variousmetal
nanoparticles