金属脊-三角形半导体型混合表面等离子体波导
带有增益介质层的混合脊状等离子体波导的传输特性
中图分 类号 ： Ｔ Ｎ ２ ５ ２
Ｔｈ ｅ Ｔｒ ａ ｎ ｓ ｍｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ Ｐｒ ｏ ｐ ｅ ｒ ｔ ｉ ｅ ｓ ｏ ｆ Ｈｙ ｂ ｒ ｉ ｄ Ｒｉ ｄ ｇ ｅ Ｐ ｌ ａ ｓ ｍｏ ｎ ｉ ｅ
Ｗ ａ ｖ ｅ ｇ ｕｉ ｄ ｅ ｗｉ ｔ ｈ Ａ Ｇａ ｉ ｎ Ｍｅ ｄ ｉ ｕ ｍ Ｌａ ｙ ｅ ｒ
Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｍｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ｌ ｏ ｓ ｓ ｉ ｓ ｕ ｐ ｔ ｏ ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｈ ｅ ｌ ｐ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｇ ａ ｉ ｎ ｍｅ ｄ ｉ ｕ ｍ．Ｔ ｈ ｅ ｗａ ｖ ｅ ｇ ｕ ｉ ｄ ｅ
ＬＩ ＺＨＩ — ｑ ｕ ａ ｎ ，ＺＨＥＮＧ Ｗｅ ｎ ・ ｙ ｉ ｎ ｇ，ＮＩ Ｕ Ｌｉ － ｙ ｏ ｎ ｇ，ＬＩ Ｘｉ ａ ｏ － ｙ ｕ ｎ，Ｌ Ｉ Ｓ ｈ ａ
（Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆＥ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ，Ｙ ａ ｓｈ ｎ ａ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ，Ｑ ｉ ｎ ｈ ｕ ａ ｎ ｇ ｄ ａ ｏ ０ ６ ６ ０ ０ ４ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
第３ ４卷
第１ 期
发 光 学 报
ＣＨ Ｉ ＮＥＳ Ｅ Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＬＵＭ Ｉ ＮＥＳ ＣＥＮＣＥ
Ｖｏ １ ． ３ ４ Ｎｏ ．１ ０ １ ３ Ｊ ａ ｎ ． ２
，
２ ０ １ ３年 １ 月
文章编号 ： １ ０ ０ ０ － ７ ０ ３ ２ （ ２ ０ １ ３ ） ０ １ － ０ ０ ９ ８ － ０ ６
ｔ ｗｏ ｐ ａ ｒ ｔ ｓ ：ｔ ｈ ｅ ｉ ｆ ｒ ｓ ｔ ｐ ａ ｒ ｔ ｉ ｓ ａ ｓ ｉ ｎ ｇ ｌ ｅ ｄ ｉ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｉ ｒ ｃ ａ ｒ ｅ ａ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｓ ｅ ｃ ｏ ｎ ｄ ｐ ａ ｔ ｒ ｉ ｓ ａ ｄ ｏ ｕ ｂ ｌ ｅ — ｌ ａ ｙ ｅ ｒ ｓ ｉ ｒ ｄ ｇ ｅ ａ ｒ ｅ ａ
7-几种波导--金属薄膜波导及应用
另一种认为类Fabry-Perot (F-P)腔的作用才是产生这种现象的原因， 称之为类F-P腔理论，忽略了光栅基底介电常量对透射增强波长的影响。
应用：偏振分光器、聚焦金属平板透镜 提高氮化物基LED的出光效率和偏振特性
6
集成光波导器件：超小型化和集成化，亚波长尺寸量级
周期性波导 多量子阱光波导 金属薄膜波导 渐变折射率波导 泄露波导
金属薄膜波导及应用
1957年，Ritchie等发现电磁波沿介质－金属表面传播是由于金属 表面电子在外加TM偏振波作用下发生极化而产生。
Excitation of Surface Plasmon by prism with metal film
增强4.2倍
增强335.4倍
12
二、金属薄膜结构
1、色散关系
(1)非对称结构及其场分布： （14）
金属薄膜结构
转移矩阵方程：
（15）
理想金属膜结构的色散方程：
（16） 理想系统
13
(2)对称结构的色散方程及色散关系：
色散方程
（17）
传播常数
a. 对称模情况：
b. 反对称模情况：
对称薄膜结构SPW的色散关系
电磁波的矢量微分方程：
（1）
金属的介电常数：
两种介质简单界面 SPW的电场分布
ε =ε r iε i ， ε r 0, ε r ε i
（2）
表面波场强集中于界面，并且沿法向指数衰减，试探解为：
代入 E 0 并简化得：
（3）
同样可得： （4）
8
根据边界条件得出： (1)表面等离子波一定是TM波 （5） （6）
表面等离子体共振原理及其化学应用
表面等离子体共振原理及其应用李智豪1.表面等离子体共振的物理学原理人们对金属介质中等离子体激元的研究, 已经有50多年的历史。
1957年Ritchie发现, 高能电子束穿透金属介质时, 能够激发出金属自由电子在正离子背景中的量子化振荡运动, 这就是等离子体激元。
后来,人们发现金属薄膜在入射光波照射下, 当满足特定的条件时, 能够激发出表面等离子体激元, 这是一种光和自由电子紧密结合的局域化表面态电磁运动模式。
由于金属材料的吸收性质,光波沿金属表面传播时将不断被吸收而逐渐衰减, 入射光波的能量大部分都损耗掉了, 造成反射光的能量为最小值, 这样就把反射光谱的极小值与金属薄膜的表面等离子体共振联系了起来。
1.1 基本原理[1]光与金属物质的相互作用主要是来自于光波随时间与空间作周期性变化的电场与磁场对金属物质中的电荷所产生的影响,导致电荷密度在空间分布中的变化以及能级跃迁与极化等效应,这些效应所产生的电磁场与外来光波的电磁场耦合在一起后,表达出各种不同光学现象。
等离子体是描述由熔融状态的带电离子所构成的系统,由于金属的自由电子可当作高密度的电子流体被限制于金属块材的体积范围之内,因此亦可类似地将金属视为一种等离子体系统。
当电磁波在金属中传播时,自由电子会随着电场的驱动而振荡,在适当条件下,金属中传播之电磁波其电场振荡可分成两种彼此独立的模态,其中包含电场或电子振荡方向凡垂直于电磁波相速度方向的横波模态,以及电场或电子振荡方向凡平行波的传播方向纵波模态。
对于纵波模态,自由电子将会沿着电场方向产生纵向振荡的集体运动,造成自由电子密度的空间分布会随时间之变化形成一种纵波形式之振荡,这种集体运动即为金属中自由电子之体积等离子体振荡。
金属复介电常数的实部相对其虚部来说,往往是一个较大的负数,金属的这种光学性质,使金属和介质的界面处可传输表面等离子波,使夹于两介质中间的金属薄膜可传输长程表面等离子波。
这两类表面波具有不同于光导波的独特性质,例如,有效折射率的存在范围大、具有场的增强效应等。
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 flogalgorithm)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。
表面等离子共振技术介绍
SPR仪的结构及工作原理
朱倩 90513126
表面等离子共振技术介绍
Biacore 3000
Biacore Control
工作仪器
表面等离子共振技术介绍
Biacore 3000工作仪器
核心部件： 传感器芯片 液体处理系统 光学系统
其他： LED状态指示器 温度控制系统
表面等离子共振技术介绍
发展简史
1902年，Wood在光学实验中发现SPR现象 1941年，Fano解释了SPR现象 1971年，Kretschmann为SPR传感器结构奠定了基础 1983年，Liedberg将SPR用于IgG与其抗原的反应测定 1987年，Knoll等人开始SPR成像研究 1990年，Biacore AB公司开发出首台商品化SPR仪器
2.等离子波
等离子体 等离子体通常是指由密度相当高的自由正、 负电荷组成的气体，其中正、负带电粒子数目 几乎相等。
金属表面等离子波 把金属的价电子看成是均匀正电荷背景下运 动的电子气体，这实际上也是一种等离子体。 由于电磁振荡形成了等离子波。
表面等离子共振技术介绍
3.SPR光学原理
表面等离子共振技术介绍
表面等离子共振原理
1. 消逝波 2. 等离子波 3. SPR的光学原理
表面等离子共振技术介绍
1.消逝波
菲涅尔定理： n1 sinθ1 = n2 sinθ2
当光从光密介质 密 入射到光疏介质 时（n1>n2）就 会有全反射现象 疏 的产生。
密
疏
表面等离子共振技术介绍
1.消逝波
密
界面 疏 这表示沿X轴方向传播而振幅衰减的一个波，这就是消逝波。 全反射的光波会透过光疏介质约为光波波长的一个深度，再 沿界面流动约半个波长再返回光密介质。光的总能量没有发 生改变。透入光疏介质的光波成为消逝波。 表面等离子共振技术介绍
纳米等离子体激光器研究进展
纳米等离子体激光器研究进展赵青;黄小平;林恩;焦蛟;梁高峰;陈涛【摘要】半导体激光器在生物技术、信息存储、光子医学诊疗等方面得到了广泛应用.随着纳米技术和纳米光子学的发展,紧凑微型化激光器应用前景引人关注.当激光器谐振腔尺寸减小到发射波长时,电磁谐振腔中将产生更为有趣的物理效应.因此,在发展低维、低泵浦阈值的超快相干光源,以及纳米光电集成和等离激元光路时,减小半导体激光器的三维尺寸至关重要.在本综述中,首先介绍了纳米等离子体激光器中的谐振腔模式增益和限制因子的总体理论,并综述了金属-绝缘材料-半导体纳米(MIS)结构或其它相关金属覆盖半导体结构的纳米等离子体激光器各方面的总体研究进展.特别地,对基于MIS结构的等离子体谐振腔实现纳米等离子体激光器三维衍射极限的突破,进行了详细的介绍.本文也介绍并展望了纳米等离子体激光器的技术挑战和发展趋势,为纳米激光器进一步研究提供参考.%Semiconductor lasers are widely used for applications in biology, information storage, photonics and medical therapeutics. With the development of the emerging area of nano-optics and nanophotonics, more compact lasers attract significant interest. As the cavity size is reduced with respect to the emission wavelength, interesting physical effects in electromagnetic cavities arise. To scale down the semiconductor lasers in all three dimensions plays an important role in the development of low-dimension, low-threshold, and ultrafast coherent light sources, aswell as integrated nano-opto electronic and plasmonic circuits. In this review, the overall formalism of mode gain and confinement factor in the metal–semiconductor plasmonic lasers was introduced firstly. In addition, an update doverview of the latestdevelopments, particularly in plasmonic nanolasers using the metal-insulator-semiconductor(MIS) configuration and another related metal-cladded semiconductor microlasers was presented. In particular, it hasbeen experimentally demonstrated that the use of plasmonic cavities based on MIS nanostructures can indeed breakthe diffraction limit in three dimensions. We also present some perspectives on the challenges and developmenttrend for the plasmonic nanolasers. This review can provide useful guide for the research of plasmonic nanolasers.【期刊名称】《光电工程》【年(卷),期】2017(044)002【总页数】12页(P140-151)【关键词】等离子体激光器;表面等离子体激元;微纳加工【作者】赵青;黄小平;林恩;焦蛟;梁高峰;陈涛【作者单位】电子科技大学物理电子学院,成都 610054;电子科技大学物理电子学院,成都 610054;电子科技大学物理电子学院,成都 610054;电子科技大学物理电子学院,成都 610054;电子科技大学物理电子学院,成都 610054;电子科技大学物理电子学院,成都 610054【正文语种】中文【中图分类】TN248自从上世纪60年代激光器发明以来，激光器和人类的其它发明一样，对人类的各个方面都产生了巨大影响。
表面等离子体共振仪器讲解
五、LED状态指示器
在仪器前部面板上有 5个 LED 状态指示器，LED的最显著特点是 使用寿命长，光电转换效能高，分别能够显示仪器不同方面的状态。
六、光源
另外，在光源的选择上，固定波长、改变入射角测量方式的 SPR 装 置多采用 He2Ne 激光器(λ= 63218nm) 作为光源。用激光器作光源， 单色性好，强度高。在部分文献中发光二极管(LED) 也作为 SPR 的光源， 选择的波长多为 760nm。LED 的单色性也较好，且体积小，价格低，使 用寿命长。 采用固定入射角以波长为变量测量方式的 SPR仪器和装置，白炽灯中 的卤钨灯是较适合的光源，因为它在可见光区有连续发射光谱，并具有 足够的强度和稳定性，强度不随波长而改变，使用寿命较长。
1.4、光波导型
光波导型SPR传感器的原理与棱镜型十分相似，如下图所示，不同之 处在于光波传输的媒介由棱镜变为光波导，在理论上，它可达到的检测 精度也与棱镜型的相仿。所谓的光波导是光波传导的材料，能把光束缚 在一定区域内传播。光波导型SPR传感器有其自身的优点：光波的传输 途径可以人为控制；易于实现微型化；稳定性好等。
用 SPR 检测器所得的信息可直接来自表面的样品，也可间 接来自能与样品特异结合的相关试剂，还可以从粗样品的嘈 杂信号中获得微量待测样品的特异性信号。 其最低检测下线 为 pg 级 (10-12g)。
二、传感器芯片（sensor chip）
在 BIA 技术中必须首先有一个生物分 子偶联在传感片上，然后用它去捕获可 与之进行特异反应的生物分子。 将 50nm 至 100nm 厚的金膜固定在一 块玻璃片上，将此玻璃片嵌在一个塑料 平板夹里，用一种折射率与棱镜匹配的 聚合物将芯片耦合到玻璃棱镜上，在芯 片表面固定一层较容易与其它生物大分 子偶联的葡聚糖分子层（使用者也可以 根据需要选择非葡聚糖分子层的芯片） 而成。（该偶联过程可由仪器全自动控 制。）
表面等离子体共振在研究中的应用
表面等离子体共振在研究中的应用摘要：表面等离子共振（SPR）近年来迅速发展为用于分析生物分子相互作用的一种新的光学检测技术。
应用SPR原理可检测生物传感芯片上配位体与分析物之间的相互作用情况，在生命科学、医疗检测、药物筛选、食品检测及环境监测等领域具有广泛的应用需求。
该技术无需标记、特异性强、灵敏度高、样品用量小，可实现在线连续实时检测。
本文阐述了基于表面等离子共振技术生物传感器的基本原理，综述了SPR在蛋白质、水质、有毒气体检测及疾病诊断中的应用，以及利用SPR分析蛋白质—蛋白质相互作用中的主要研究方向，并对其发展趋势进行了展望。
关键词：表面等离子体共振；蛋白质；水质检测；有毒气体检测；疾病诊断Application in the Scientific Research ofSurface Plasmon ResonanceAbstract:The optical technique of surface plasmon resonance(SPR)has been rapidly developed to investigate the interactions of biomolecules in recent years, it can be applied for monitoring of interaction between ligand and analyte on a sensor chip. Thus, it has been largely demanded in the field of life science, medical testing, drug screening, food and environmental monitoring, and so on.SPR technique has many advantages,such as label-free,specificity,sensitivity, sample dosage, real-time and online detection.In this paper, the principle of biosensor chip technology of SPR biosensors was briefly described, its application on protein, water quality, toxic gas investigations and disease diagnosis were reviewed, and the mainly research fields of using SPR analyse interaction between protein and protein were stated. Furthermore，the trend of its development in near future has been prospected．Key words: surface plasmon resonance; protein; immunosensor; water quality investigation; toxic gas investigation表面等离子体子共振(surface plasmon resonance，SPR)是一种利用金属薄膜的光学耦合产生的物理光学现象。
基于FDTD的表面等离子体慢光波导传输特性分析
２ ０ １ ３ 年 １ ２月
太 赫 兹科 学 与 电子信 息 学 报
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｒ ａ ｈ ｅ ｒ ｔ ｚ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
摘 要 ： 表 面 等 离 子 体 可 以在 亚 波 长 尺 度 上 实 现 对 可 见 光 及 红 外 光 的控 制 处 理 ，对 光 集 成 的 发 展 有 巨 大 的 推 动 作 用 。 设 计 了金 属 一 介 质 一 金 属 结 构 的表 面 等 离 子 光 波 导 ， 利 用 时域 有 限差 分 法ｆ Ｆ Ｄ Ｔ Ｄ ） 对 其 色 散 特 性 、群 速 度 、 场 强 分 布 进 行 分 析 。 结 果 表 明 ， 在 一 定 的 频 率 范 围 内 ，此 结 构 的光 波 导 可 以 支 持 慢 光 模 式 ，且 群 速 度 色 散 较 小 ， 可 有 效 控 制 光 脉 冲 的 畸 变 ，保 持 信 号 的 完整 性 。 关 键 词 ：表 面 等 离 子 体 ； 光 波 导 ；慢 光 ； 时域 有 限差 分
中图分类号 ： Ｔ Ｎ２ ５ ２ 文 献 标 识 码 ：Ａ ｄ ｏ ｉ ：１ ０ ． １ １ ８ ０ ５ ／ ＴＫＹＤＡ２ ０ １ ３ ０ ６ ． ０ ８ ７ １
Ｐｒ ｏ ｐ ａ ｇ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｒ ｏ ｐ ｅ ｒ ｔ ｉ ｅ ｓ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｆ ｏ ｒ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｐ ｌ ａ ｓ ｍｏ ｎ ｓ ｓ ｌ ｏ ｗ ｌ ｉ ｇ ｈ ｔ ｗａ ｖ ｅ ｇ ｕ ｉ ｌ ｄ ｅ’ ｅ ｂ ｙ ＦＤＴＤ １
表面等离子体激元纳米激光器技术及应用研究进展
表面等离子体激元纳米激光器技术及应用研究进展陈泳屹;佟存柱;秦莉;王立军;张金龙【摘要】Conventional semiconductor lasers suffer from the scale of the diffraction limit due to the light to be confined by the optical feedback systems. Therefore, the scales of the lasers cannot be miniaturized because their cavities cannot be less than the half of the lasing wavelength. However, lasers based on the Surface Plas- mon Polaritons(SPPs) can operate at a deep sub-wavelength, even nanometer scale. Moreover, the develop- ment of modern nanofabrication techniques provides the fabrication conditions for micro - or even nanometer scale lasers. This paper reviews the progress in nano-lasers based on SPPs that have been demonstrated re-cently. It describes the basic principles of the SPPs and gives structures and characteristics for several kinds of nanometer scale lasers. Then, it points out that the major defects of the nanometer scale lasers currently are focused on higher polariton losses and the difficultiesin fabrication and electronic pumping technologies men- tioned above. Finally, the paper considers the research and application prospects of the nanometer scale lasers based on the SPPs.%传统半导体激光器由于采用光学系统反馈而存在衍射极限，其腔长至少是其发射波长的一半，因此难以实现微小化。
第四章 表面等离子体共振技术总结
第四章表面等离子体共振技术--学习总结通过表面等离子体共振技术的学习，我主要掌握了以下的一些基本知识：一、金属表面的等离子体振动表面等离子体振动，其角频率ωs与体积等离子体的不同，它们之间存在以下关系：则这种特殊表面的等离子体振动的角频率ωms为：Array二、产生表面等离子体共振的方法面等离子体波（Surface plasma wave，SPW）质中逐渐衰减。
表面等离子体波是TM极化波，即横波，其磁场矢量与传播方向垂直，与界面平行，而电场矢量则垂直于界面。
在半无穷电介质和金属界面处，角频率为式中c是真空中的光速，εm和εa分别是金属和电介质的介电常数。
表面等离εm=εmr+iεmi）。
金属的εmr/εmi电磁波在真空中的速度c与在不导电的均匀介质中的速度v之比称为电介质的折射率n：则：Array频率为ω要使光波和（ka）总是在ω（从不交叉，即ω（因此，要设法移动ω（的。
场在金属与棱镜的界面处并不立即消失，而是向金属介质中传输振幅呈指数衰减的消失kev为：通过调节θ共振，有：由上式可见，若入射光的波长一定，即ωa一定时，ns条件；若θ0一定时，ns改变，则必须改变ωa波长λ来实现。
此时θ0和λ分别称为共振角和共振波长。
右图为典型的SPR光谱三、SPR传感器1、基本原理表面等离子体子共振的产生与入射光的角度θ、波长λ、金属薄膜的介电常数εs及电介质的折射率ns有关，发生共振时θ和λ分别称为共振角度和共振波长。
对于同一种金属薄膜，如果固定θ，则λ与ns有关；固定λ，则θ与ns有关。
如果将电介质换成待测样品，测出共振时的θ或λ，就可以得到样品的介电常数εs或折射率ns；如果样品的化学或生物性质发生变化，引起ns的改变，则θ或λ也会发生变化，这样，检测这一变化就可获得样品性质的变化。
固定入射光的波长，改变入射角，可得到角度随反射率变化的SPR光谱；同样地，固定入射光的角度，改变波长，可得到波长随反射率变化的SPR光谱。
表面等离子体共振原理及其化学应用
表面等离子体共振原理及其应用李智豪1.表面等离子体共振的物理学原理人们对金属介质中等离子体激元的研究, 已经有50多年的历史。
1957年Ritchie发现, 高能电子束穿透金属介质时, 能够激发出金属自由电子在正离子背景中的量子化振荡运动, 这就是等离子体激元。
后来,人们发现金属薄膜在入射光波照射下, 当满足特定的条件时, 能够激发出表面等离子体激元, 这是一种光和自由电子紧密结合的局域化表面态电磁运动模式。
由于金属材料的吸收性质,光波沿金属表面传播时将不断被吸收而逐渐衰减, 入射光波的能量大部分都损耗掉了, 造成反射光的能量为最小值, 这样就把反射光谱的极小值与金属薄膜的表面等离子体共振联系了起来。
1.1 基本原理[1]光与金属物质的相互作用主要是来自于光波随时间与空间作周期性变化的电场与磁场对金属物质中的电荷所产生的影响,导致电荷密度在空间分布中的变化以及能级跃迁与极化等效应,这些效应所产生的电磁场与外来光波的电磁场耦合在一起后,表达出各种不同光学现象。
等离子体是描述由熔融状态的带电离子所构成的系统,由于金属的自由电子可当作高密度的电子流体被限制于金属块材的体积范围之内,因此亦可类似地将金属视为一种等离子体系统。
当电磁波在金属中传播时,自由电子会随着电场的驱动而振荡,在适当条件下,金属中传播之电磁波其电场振荡可分成两种彼此独立的模态,其中包含电场或电子振荡方向凡垂直于电磁波相速度方向的横波模态,以及电场或电子振荡方向凡平行波的传播方向纵波模态。
对于纵波模态,自由电子将会沿着电场方向产生纵向振荡的集体运动,造成自由电子密度的空间分布会随时间之变化形成一种纵波形式之振荡,这种集体运动即为金属中自由电子之体积等离子体振荡。
金属复介电常数的实部相对其虚部来说,往往是一个较大的负数,金属的这种光学性质,使金属和介质的界面处可传输表面等离子波,使夹于两介质中间的金属薄膜可传输长程表面等离子波。
这两类表面波具有不同于光导波的独特性质,例如,有效折射率的存在范围大、具有场的增强效应等。
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。
表面等离子体共振
03
02
拟合分析
利用数学模型对数据进行拟合，提 取共振角、共振峰宽等信息。
结果比较
将实验结果与理论预测进行比较， 验证理论模型的正确性。
04
实验误差与精度
误差来源
分析实验过程中可能引入的各种误差 来源，如光源稳定性、光学元件的误 差、样品制备误差等。
技术创新
探索新的实验技术，如微纳加工、纳 米压印等，以实现更精细的表面等离 子体共振结构。
跨学科研究的可能性与挑战
可能性
表面等离子体共振涉及物理学、化学、 生物学等多个学科领域，具有广阔的 跨学科研究前景。
挑战
跨学科研究需要不同领域的专家进行 深入合作，克服技术、理论和方法等 方面的障碍。
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在化学领域的应用
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化学反应动力学研究
利用表面等离子体共振技术对化学反应过程中分 子的动态行为进行实时监测，有助于深入了解化 面化学吸附、催 化反应等过程进行研究，有助于发现新的表面化 学现象和反应机制。
纳米材料表征
表面等离子体共振技术可应用于纳米材料的表征， 如纳米粒子的尺寸、形貌和表面性质等。
利用表面等离子体共振技术监测生物分子间的相互作用， 如蛋白质与DNA、抗体与抗原之间的结合，有助于深入了 解生物分子结构和功能。
药物筛选与设计
通过表面等离子体共振技术对药物与靶点分子间的相互作 用进行研究，有助于发现潜在的药物候选物并进行优化设 计。
生物传感器应用
将表面等离子体共振技术应用于生物传感器，可实现生物 样品的高灵敏度检测，如病毒、细菌、蛋白质等。
金属表面等离子体的基本性质
金属表面等离子体
金属表面的自由电子在光、电、磁等外界因素作用下，形成的一 种特殊电磁现象。
表面等离子波导
表面等离子波导
表面等离子波导（Surface Plasmon Polaritons，SPP）是指在金属表面上传播的等离子体波。
它是由金属表面上的等离子体共振而产生的，可以将金属表面看作一个光子活性材料，可以用来把较小的光子能量转化成较大的热能量。
因此，表面等离子波导可以用来传送大的能量和信息，这个特性具有重要的应用价值。
表面等离子波导可以用来吸收、辐射、传输和分散电磁波能量。
它的传播距离可以超过100微米，并且具有良好的传输率和相位特性，能够满足高效传输所需的条件。
由于表面等离子波导具有独特的光学特性，因此在微纳米技术领域中被广泛应用。
例如，它可以用来控制光的传播方式，从而实现高效的光驱动电子设备。
此外，它还可以用来实现精确的超快光探测器，用于快速检测和检测各种物质的反应。
随着科学技术的不断发展，表面等离子波导也在不断发展。
最新的研究表明，表面等离子波导可以用来增强电磁场的强度，从而使得微纳米结构更加具有竞争力。
此外，它还可以用来制造低功耗的微电子器件，用于实现无线传感器网络的实时监控。
总之，表面等离子波导是一种重要的光子活性材料，具有广泛的应用前景。
它可以用来控制光的传播方式，实现精确的超快光探测器，增强电磁场的强度，以及制造低功耗的微电子器件等。
随着科学技术的不断发展，表面等离子波导的应用前景日益广阔，将会为现代生活提供更多的便利。
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金属脊・ 三角 形 半 导 体 型 混 合 表 面等 离子 体 波导
李志 全 ， 岳 中 ， 白 兰 迪 ， 刘同 磊 ， 冯 丹丹 ， 顾而 丹 ， 李文 超
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（ １ ． 燕 山大学 电气 工程 学院 ， 河北 秦 皇岛 ０ ６ ６ ０ ０ ４ ； ０ ６ ６ ０ ０ ４ ） ２ ． 东北 大学 秦皇岛分校 控制工程学院 ， 河北 秦皇岛
摘要 ： 提 出了一种新颖 的基 于金属脊－ 三角形半导体 的混合表面 等离子体 波导结构 ， 基于有 限元法对该 波导结构 进 行 了数值 仿真和分析． 主要研 究 了该结 构的 电场分布、 传 输长度 、 归一化模场 面积和质量 因数． 结果 表 明： 在工作 波 长为 １ ５ ５ ０ ｎ ｍ时， 通过优化参 数， 其有效模场面积达到 ０ ． ０ ０ １ ９ ３ ， 传输 长度 为 ３ ７ ． ７ ｔ ｘ ｍ， 质量 因数为 ４ ８ ５ ３ ， 该结构 具有较低 的损耗． 与金属平板混合波导结构相 比， 具有 更大 的质 量 因数 ， 更 强 的光场 限制能力 ， 波 导的综合 性能 更 好． 这种波导结构在微纳米光子学、 光 电子通讯 和光信息存储等领域具有广 阔应用前景． 关 键 词： 混合表面等离子体波导 ； 传 输特性 ； 有 限元法 ； 表面等 离子体 中图分类号 ： Ｔ Ｎ ２ ５ ２ 文献标识码 ： Ａ
ｉｅ ｆ ｌ ｄ ａ ｒ ｅ ａ ｉ ｓ ｕ ｐ ｔ ｏ ０． ００１ ９３ ，ｔ ｈｅ ｒａ ｔ ｎ ｓ ｉ ｓ ｍ ｓ ｉ ｏ ｎ ｌ ｅ ｎｇ ｈ ｔ ｉ ｓ ３ ７． ７ ｍ ，ａ ｎ ｄ ｔ ｈｅ ｑｕ ａ ｌ ｉ ｔ ｙ ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｉ ｓ ４８ ５３ ｂｅ 月
文章编号 ： １ ０ ０ １— ９ ０ １ ４ （ ２ ０ １ ７ ） ０ ６— ０ ７ ６ １— ０ ６
红 外 与 毫 米 波 学 报
Ｊ ．Ｉ ｎ ｆ ｒ ａ ｒ ｅ ｄ Ｍｉ ｌ ｌ ｉ ｍ．Ｗ ａ ｖ ｅ ｓ
Ｖｏ １ ．３ ６， Ｎｏ． ６ Ｄｅ ｃ ｅ ｍｂｅ ｒ， ２ ０１ ７
Ｍｅ ｔ ａ ｌ ｒ ｉ ｄ ｇ ｅ － ｔ ｒ ｉ ａ ｎ ｇ ｕ ｌ ａ ｒ ｓ ｅ ｍｉ ｃ ｏ ｎ ｄ ｕ ｃ ｔ ｏ ｒ ｏ ｆ ｍｉ ｘ ｅ ｄ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｐ ｌ ａ ｓ ｍａ ｗａ ｖ ｅ ｇ ｕ ｉ ｄ ｅ
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