基于表面等离激元的传感和光子学的应用
表面等离激元共振
表面等离激元共振
表面等离激元是物理学中的一种重要的现象。
它涉及到可见光、微波和亚电子能量谱等多
种物理过程，是多个科学学科的基础。
其原理是当外界空间电场强度为E时，固体解决空
间电场中分布式电荷，并创造出两个来自表面的浮动力。
因此，表面等离激元发出的能量，强度可以超过来自表面的电荷力的能量，从而形成表面等离激元共振。
表面等离激元是一种物理共振，其特点是使金属表面的电子能量能空间的电荷分布的变化，从而产生一种强大的可见光和微波作用，具有强大的光学性质，并可能使表面产生特殊的
力学性质。
它是金属表面反射、吸收特定光谱上的电磁波及半导体表面吸收特定光谱该过
程的基础。
表面等离激元非常之小，半径仅为0.1到0.4nm，它不仅小而且具有高自身稳
定能，能够在空间和表面电场发生强烈变化时维持其强度和稳定。
表面等离激元的最重要的应用之一是用作微纳加工装备的光源。
此外，在纳米技术的发展中，表面等离激元的应用也可更加深入。
例如，可以用它来制造可控的光子结构，这将有
助于研究光子的传输，并为设计高效的光子晶体和超细光纤提供基础。
此外，表面等离激元还可以应用于生物学、化学和药物学等领域。
首先，可以利用表面等
离激元“指纹”形成光学显微镜，可以精确观察微观尺度的生物学反应。
同时，由于表面
等离激元可以充当光子的靶位，所以它可以被用来研究光激发的化学反应和可靠的疗法，
从而更好地控制材料的表面性质，以此来改善医疗设备上的生物毒性。
总之，表面等离激元是一种重要的现象，可以深入到多个科学领域，为各种物理现象提供
基础，并形成重要的应用。
mim波导耦合谐振腔系统中fano共振效应及其传感特性研究
MIM波导耦合谐振腔系统中Fano共振效应及其传感特性研究摘要表面等离极化激元（Surface plasmon polaritons,SPPs）为金属表面自由电子与入射光子相互作用产生的沿金属表面传播的电荷密度波，其具有突破光衍射极限的能力，使得在亚波长尺度对光进行操作成为可能。
随着研究的不断深入，基于SPPs的光子器件已经被广泛应用于光开关、滤波器、生化传感等领域。
基于金属-介质-金属（Metal-Insulator-Metal，MIM）波导的SPPs微纳传感器因具有体积小、灵敏度高和易于集成等优点引起了人们的广泛关注。
最近研究表明基于波导耦合谐振腔结构能够产生一些新颖的非线性光学效应，如Fano共振、电磁诱导透明。
Fano 共振效应是一种弱耦合作用，其对结构参量和周围介质的变化异常敏感。
因此，利用SPPs波导耦合谐振腔结构实现的Fano共振效应来设计高灵敏SPPs传感器是一种非常有希望的途径。
本论文基于耦合模理论（Coupled Mode Theory,CMT）和有限元方法（Finite element method,FEM），研究了MIM波导耦合谐振腔结构中的Fano共振现象，并设计了三种基于Fano共振效应的高灵敏折射率传感器，主要工作简述如下：1、设计了MIM波导耦合齿形和圆环形谐振腔结构，利用有限元方法仿真分析了该结构传播特性和折射率传感特性，结果在波导耦合谐振腔结构中产生了Fano共振。
研究结果表明该结构折射率灵敏度为1057nm/RIU，FOM值为1016。
基于耦合模理论详细分析了该耦合结构Fano共振的产生机理。
此外，设计了两种衍生结构，在衍生结构的透射光谱中观察到了多个Fano共振峰，进一步研究了衍生结构的稳态磁场分布与结构参数对Fano共振线型的影响。
2、设计了MIM波导耦合矩形和圆环形谐振腔结构，采用有限元方法研究了该结构的传播特性，结果在透射光谱中观察到了非对称的Fano共振线型。
半导体材料等离激元
等离激元是指在具有一定载流子浓度的固体系统中（如金属、具有一定载流子浓度的半导体等），由于载流子之间的库仑相互作用，使得空间中一处载流子浓度的涨落，必将引起其他地方载流子浓度的振荡。
这种以载流子浓度的振荡为基本特征的元激发，称为等离激元。
等离激元纳米材料，可以通过光子吸收激发其局域表面等离激元共振，被广泛应用于光学传感、生物医学、太阳能电池以及光（电）催化领域。
常见的等离激元纳米结构主要包括金、银、铜、铝等金属材料。
金属等离激元纳米颗粒具有非常大的吸收/散射横截面积和系统可调的等离激元共振波长，同时可以产生高能热载流子，可被应用于增强半导体的光催化性能。
由于通常将等离激元金属负载在半导体材料的表面，因此可以通过近场增强机理增加靠近半导体材料表面的电子-空穴对的生成。
此外，等离激元金属还可以解决半导体材料相对较长的光吸收长度和较短的热载流子扩散长度之间的矛盾。
当等离激元材料的消光波长和半导体材料的本征吸收光谱重叠时，近场电磁共振能量转移的增强效应可能不明显，但即使在这种情况下，传输的近场增强也有足够多的能量来激发电子-空穴对的产生。
因此，将具有较强等离激元共振效应的金属纳米粒子与半导体材料复合，是提高半导体在可见光区光催化活性的有效方法之一。
例如，核壳结构的金属-半导体纳米粒子对于研究等离激元共振效应具有重要的价值，因为这种结构可以使两者之间的接触面积更大，活性位点更多，等离激元共振效应诱导产生的热电子可以很容易地克服金属-半导体之间的肖特基势垒，从等离激元金属表面转移到半导体中，从而增强半导体的催化性能。
总之，等离激元在半导体材料中的应用主要是通过其独特的物理性质来增强半导体材料的光学、电子和催化性能。
随着科学技术的不断发展，等离激元在半导体材料中的应用前景将会更加广阔。
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。
表面等离激元塔姆态及其应用研究
AbstractAbstractSurface plasmon polaritons (SPPs) , profited by the unique electromagnetic field confinement and localized field enhancement, have developed into an important subfield of nano-optics. Until now, SPPs have been intensively applied in enhancing nonlinearities, surface-enhanced Raman scattering, surface-enhanced fluorescence, nanosensor, all-optical circuits, optical communication and signal processing. Plasmonic Tamm states (PTSs), as a new type of nanoscaled Tamm states, have combined the advantages of SPPs and optical Tamm states. In this dissertation, we investigated the PTSs in insulator-metal-insulator (IMI) and metal-insulator-metal (MIM) waveguides and the related applications in electromagnetic nanofocusing and photonic integration with the help of the impedance-based transfer matrix method. The key works and results are shown as follows:(1) Based on the transmission line theory, we have deduced the impedance-based transfer matrix (TMM), which is applicable to analyze the periodic structure in plasmonic waveguide. And the approximate expression of 3D impedance is proposed. Meanwhile, the main idea of finite difference time domain method (FDTD) is analyzed according to the curl equation of Maxwell's equations.(2) The PTSs configuration based on the MIM waveguide is proposed by periodically modulating the width of the insulator, in which the nanofocusing of the free-space optical energy is realized assisted by the air-gap coupler. The effective couplings between free space light and SPPs modes are realized with high coupling efficiencies for both 2D and 3D configurations at the resonant wavelength, moreover, the electromagnetic field intensities are enhanced by three orders of magnitude. Besides the field confinement in the perpendicular direction, the field is confined along the propagative direction. Compared to the traditional V-shaped plasmonic waveguide, the experimental fabrication is achievable with standard nanofabrication techniques such as electron-beam lithography and focused ion beam milling, which greatly reduce the processing difficulties.Abstract(3) A new type of PTSs based on IMI bragg reflector is designed by periodicmodulation of the dielectrics surrounding the metal core. Two independent IMI PTSscan be excited in the same configuration that are related to the even and odd modes inthe IMI waveguide. In addition to the realization of prominent electromagneticenhancement, the system can work as an optical switch via the transition between thetwo modes at resonant wavelength. The extinction ratio can reach 18.83 for periodN=at wavelength 1550 nm. These features offer IMI PTSs great number 8potentials for the integrated photonic devices and all-optical circuits.Key Words: Surface plasmon polaritons; plasmonic Tamm states; impedance-base;nanofocusing; all-optical switch第一章目录目录摘要 (I)Abstract (II)目录 (IV)第一章绪论 (1)第一节表面等离激元 (1)1.1.1 金属-介质结构单层分界面处的表面等离激元 (1)1.1.2 表面等离激元波导的模式特性 (6)1.1.3 表面等离激元的应用 (10)第二节表面等离激元塔姆态 (12)1.2.1 光学塔姆态 (12)1.2.2 表面等离激元塔姆态 (15)第三节本论文主要内容 (17)第二章数值模拟方法 (19)第一节基于阻抗匹配的传输矩阵方法 (19)第二节时域有限差分法 (22)第三节本章小结 (24)第三章表面等离激元塔姆态的自由光场纳米聚焦与增益 (25)第一节2D空气隙PTSs结构电磁场增益结果与分析 (25)第二节3D空气隙PTSs结构电磁场增益结果与分析 (29)第三节PTSs系统的Purcell因子分析 (32)第四节本章小结 (34)第四章基于IMI波导的表面等离激元塔姆态 (36)第一节PTSs结构与设计方法 (36)第二节IMI PTSs共振分析 (37)第三节本章小结 (42)第一章目录第五章总结与展望 (43)第一节总结 (43)第二节展望 (44)参考文献 (47)致谢 (53)个人简历在学期间发表的学术论文与研究成果 (54)第一章绪论第一章绪论光子学是研究光子的特性、光子与物质相互作用及其应用的新兴物理学分支。
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。
表面等离子激元光子学的研究进展
表面等离子激元光子学的研究进展近几十年来，随着科学技术的发展，表面等离子激元光子学受到了越来越多的关注。
它是一种新型的研究手段，可以用于探索纳米尺度下的物理现象和化学性质，具有重要的实际应用价值。
概述表面等离子激元是一种表面电磁波，它在金属表面和外部介质之间传播，可以被金属表面上的电子吸收。
等离子激元通常在纳米尺度时产生，并在金属表面上迅速衰减。
由于这种波具有极高的场增强效应，因此它可以被用来增强表面散射光谱信号，并可用于检测表面分子的化学变化。
表面等离子激元可以通过入射光线来激发。
当光线照射在金属表面时，会在金属表面和外部介质之间形成一种电磁场，这就是表面等离子激元。
由于表面等离子激元的产生和存在条件比较苛刻，所以对制备表面等离子激元的方法进行研究，是表面等离子激元光子学领域的重要课题之一。
研究进展随着表面等离子激元光子学的发展，人们不断寻找新的方法来制备表面等离子激元。
在不同的研究领域和应用中，制备表面等离子激元的方法也有很大的变化。
下面将介绍一些比较常见的表面等离子激元制备方法。
1. 紫外线激发法紫外线激发法是一种比较常用的制备表面等离子激元的方法。
它的原理是使用紫外线激发表面的金属电子，使之形成等离子激元。
这种方法需要使用紫外光源，并且需要对光的波长和强度进行精确控制，以便产生稳定的等离子激元。
2. 电化学法电化学法是利用电流对金属表面造成氧化还原反应，在金属表面形成一个可控制的电荷分布，从而制备表面等离子激元。
这种方法需要使用电解质溶液和电极，在实验中需要对电极、电解质、电势等参数进行精确的控制。
3. 共振耦合法共振耦合法是一种利用共振效应来激发表面等离子激元的方法。
它需要将光源和金属表面分别放置在距离为几个纳米的范围内，以使光与表面等离子激元之间形成共振耦合。
这种方法可以产生高强度的等离子激元，但需要使用高精度的光学设备和昂贵的实验装置。
4. 热蒸发法热蒸发法是用来制备纳米金属膜的一种常见方法。
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基于表面等离激元的传感和光子学的应用
近年来，表面等离激元逐渐成为了热门的研究领域。
基于表面等离激元的传感技术和光子学应用不断涌现，为科学研究和工业应用提供了新的思路和方法。
本文将从表面等离激元的概念、传感技术、光子学应用方面进行探讨。
一、表面等离激元的概念
表面等离激元（Surface Plasmon Polaritons）即表面等离子体波，是一种介于光和物质之间的奇特的电磁波现象，由金属表面和光之间的相互作用产生。
表面等离激元波是电磁波与金属表面电子的共振模式，拥有与光长相同的波长，因此具有“局域化”的特性，使得表面等离激元波能有效地激发介质的荧光信号，并被称为一种极为灵敏的光学传感器。
二、基于表面等离激元的传感技术
以生物传感为例，通过在金属表面引入特定的生物分子，如抗体、DNA序列等，当目标分子与其复合时，表面等离激元波的共振条件发生变化，这种变化可通过测量表面等离激元波的光学性质进行检测。
该技术有不同的检测方案，如基于全反射反向散射、垂直入射和侧向散射等，且需要专业的精密测量设备来进行数据采集与处理。
基于表面等离激元的传感技术在医学、环保、食品安全等领域有着广泛的应用前景。
例如，在医学领域，它可以用于癌症诊断、细胞检测等。
三、基于表面等离激元的光子学应用
1. 表面等离激元芯片
表面等离激元芯片是常用的基于表面等离激元的光子学应用。
该芯片是将金属表面等离激元波的特性与生物分子的特异性结合起来，可以达到高效、高灵敏的生物分子检测的效果。
同时，表面等离激元芯片还具有实时检测、快速反应、无标记的优点，具备广泛的应用潜力。
2. 表面等离激元折射率传感器
表面等离激元折射率传感器是一种利用表面等离激元波的共振波长随着介质的
折射率而发生波长变化的传感器。
这种传感器可以测量不同介质中折射率的变化，并通过监测表面等离激元波的共振波长来进行检测。
它可以广泛地应用于环境监测、化学反应动力学等领域。
3. 表面等离激元增强拉曼谱法
表面等离激元增强拉曼谱法是一种利用表面等离激元波对激发的拉曼信号进行
增幅的方法。
该方法可以在非常低的浓度下检测和分析化合物，具备高灵敏度、无标记等优点，被广泛应用于药学、生物学等领域。
总之，基于表面等离激元的传感技术和光子学应用已经成为了一种前沿的研究
领域，在医疗、环保、化学等不同领域有着广泛的应用前景和研究意义。
虽然表面等离激元技术的研究较为复杂，但它的应用潜力是巨大的，未来还有着更多的研究发展空间。