表面等离激元基础PPT课件
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1. SPPs的穿透深度
（1）金属衰减深度δm 根据金属趋肤深度的表述，定义金属衰减深度δm表示SPPs场强衰减为1/e时 的深度。
表面等离子体
（2）介质衰减深度δd 同样，定义介质衰减深度δd表示SPPs场强衰减为1/e时的深度。
第18页/共27页
Part 1The characteristic length of SPPs
表面等离子体
第22页/共27页
图h SPPs的传播长度
Part 1 The characteristic length of SPPs
表面等离子体
第23页/共27页
Part 3 The excitation Of SPPs
第24页/共27页
The excitation of SPPs 1. Prism Coupling
Plasma oscillation
近似认为离子不动，电子相对于离子做往回运动 等离子表体面等内离电子体子的集体振荡
振荡频率： 上式中，n是电子浓度，m是电子质量
第3页/共27页
Surface plasma oscillations
第4页/共27页
SPPs
Surface plasmon polaritons are electromagnetic excitations propagating at the interface between a dielectric and a conductor, evanescently confined in the perpendicular direction. These electromagnetic surface waves arise via the coupling of the electromagnetic fields to oscillations of the conductor’s electron plasma.
表面等离子体
第19页/共27页
Part 1 The characteristic length of SPPs
表面等离子体
图g 归一化波长
第20页/共27页
Part 1 The characteristic length of SPPs
表面等离子体
第21页/共27页
Part 1 The characteristic length of SPPs
The dispersion relation of SPPs
表面等离子体
第16页/共27页
The dispersion relation of SPPs
Light Line
Surface Plasma
Surface Plasma Polariton 图第f 1SP7页Ps/色共散27关页系
Part 1 The characteristic length of SPPs
能量转换
LSP
SPP
LSP和SPP之间能量的转换，对于SPP的激励起着重要作用。因为LSP不要求波矢 匹配，通过LSP来激发SPP效率更高，提高了表面结构对于SPP的散射作用
第10页/共27页
Two distinctively characteristics of SPPs
表面等离子体
(c)金属/电介质界面的SPPs的示意图
lightpaths for excitation.
第25页/共27页
The excitation of SPPs 1. Prism Coupling
满 足 这 一 条 件 时 ， 可 以 观 察 到 在 金表属面和等棱离镜子的体界 面 的 反 射 率 有 一 个 极 小 值 ， 这
时光场和SPPs之间的耦合效率可接近100%。由于SPPs的能量集中在表面，比 起入射光的能量密度可以高2-3个数量级。耦合效率会随着金属膜的厚度的变 化而变化，存在最佳的金属膜的厚度。
Plasmon bands。
表面等离子体
2.传导的表面等离激元，又称表面等离极化激元(Surface Plasmon Polariton, SPP)
在金属纳米薄膜与介质的界面上激发的表面等离激元，可以沿着薄膜远程传播。
第6页/共27页
LSP
表面等离子体
图a 在共振状态下半径为10nm的金属纳米 颗粒表面的光场分布情况
第26页/共27页
The excitation of SPPs 2. Grating Coupling
Figure j. Phase-matchin第g o27f 页lig/共ht2t7o页SPPs using a grating.
Contents
Part 1 The basic concept Of SPPs Part 2 The dispersion relation of SPPs
Part 3 The excitation of SPPs
第1页/共27页
Part 1 The basic concept Of SPPs
第2页/共27页
The expression shows that SPPs is the surface electromagnetic wave in TM solutions. The change of dielectric constant εd frequency is not big, so that some special phenomenon associating with SPPs comes mainly fr第om15页th/e共m2e7t页al.
第7页/共27页
LSP
表面等离子体
图b 共振状态下半径为10nm的理想金属纳米颗粒的表面电场分布图
共振波长在555nm左右
第8页/共27页
The difference between LSP and SPP
1.两者的色散关系不同，SPP是一种表面的传播场，而LSP是依托于某种表面结构 的局域电磁场振荡，具有一系列分立的、复数的频率，是由产生LSP的表面微结 构的尺度形状决定
表面等离子体
第5页/共27页
The classification of SPPs
1.局域的表面等离激元(Localized Surface Plasmon, LSP)
对于金属纳米颗粒,等离子振动的位置固定,其中的等离子共振模式被称作局域
化表面等离子共振。这种模式由纳米颗粒中的吸收光激发,吸收带被称作
表面等离子体
图e 金属和介质的分界面
第13页/共27页
The dispersion relation of SPPs
Let us first look at TE solutions. For z>0：
For Z面处切向电场分量和磁场分量相等的边界条件，得到：
第14页/共27页
表面等离子体
Figure i. Prism coupling to SPPs using attenuated total internal reflection in the
Kretschmann (left) and Otto (right) configuration. Also drawn are possible
The dispersion relation of SPPs
Then we look at TM solutions. For z>0：
For Z<0：
The requirement of continuity of H表an面d等E l离ea子ds体to：
Then we get the dispersion relation of SPPs of Metallic surface：
2. LSP振荡可以由合适的频率和偏振的光表来面激等发离，子与体激励光的波矢无关，而SPP 的
激发则要求激励光的频率和波矢都要和SPP匹配
第9页/共27页
LSP and SPP can be transformed into each other
在粗糙的表面，LSP和SPP的频率接近LSP振荡可以激励SPP，SPP也可以激发LSP
(d)电磁场强度随着离界面距离增加而衰减
第11页/共27页
Part 2 The dispersion relation of SPPs
第12页/共27页
The dispersion relation of SPPs
如图a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。 SPPS沿X方向传播，考虑它分别以TE波和横磁波TM两种不同的偏振模式在界面上传播。电 场垂直于图中的XOZ平面是TE波，磁场垂直于图a中的XOZ平面是TM波。
（1）金属衰减深度δm 根据金属趋肤深度的表述，定义金属衰减深度δm表示SPPs场强衰减为1/e时 的深度。
表面等离子体
（2）介质衰减深度δd 同样，定义介质衰减深度δd表示SPPs场强衰减为1/e时的深度。
第18页/共27页
Part 1The characteristic length of SPPs
表面等离子体
第22页/共27页
图h SPPs的传播长度
Part 1 The characteristic length of SPPs
表面等离子体
第23页/共27页
Part 3 The excitation Of SPPs
第24页/共27页
The excitation of SPPs 1. Prism Coupling
Plasma oscillation
近似认为离子不动，电子相对于离子做往回运动 等离子表体面等内离电子体子的集体振荡
振荡频率： 上式中，n是电子浓度，m是电子质量
第3页/共27页
Surface plasma oscillations
第4页/共27页
SPPs
Surface plasmon polaritons are electromagnetic excitations propagating at the interface between a dielectric and a conductor, evanescently confined in the perpendicular direction. These electromagnetic surface waves arise via the coupling of the electromagnetic fields to oscillations of the conductor’s electron plasma.
表面等离子体
第19页/共27页
Part 1 The characteristic length of SPPs
表面等离子体
图g 归一化波长
第20页/共27页
Part 1 The characteristic length of SPPs
表面等离子体
第21页/共27页
Part 1 The characteristic length of SPPs
The dispersion relation of SPPs
表面等离子体
第16页/共27页
The dispersion relation of SPPs
Light Line
Surface Plasma
Surface Plasma Polariton 图第f 1SP7页Ps/色共散27关页系
Part 1 The characteristic length of SPPs
能量转换
LSP
SPP
LSP和SPP之间能量的转换，对于SPP的激励起着重要作用。因为LSP不要求波矢 匹配，通过LSP来激发SPP效率更高，提高了表面结构对于SPP的散射作用
第10页/共27页
Two distinctively characteristics of SPPs
表面等离子体
(c)金属/电介质界面的SPPs的示意图
lightpaths for excitation.
第25页/共27页
The excitation of SPPs 1. Prism Coupling
满 足 这 一 条 件 时 ， 可 以 观 察 到 在 金表属面和等棱离镜子的体界 面 的 反 射 率 有 一 个 极 小 值 ， 这
时光场和SPPs之间的耦合效率可接近100%。由于SPPs的能量集中在表面，比 起入射光的能量密度可以高2-3个数量级。耦合效率会随着金属膜的厚度的变 化而变化，存在最佳的金属膜的厚度。
Plasmon bands。
表面等离子体
2.传导的表面等离激元，又称表面等离极化激元(Surface Plasmon Polariton, SPP)
在金属纳米薄膜与介质的界面上激发的表面等离激元，可以沿着薄膜远程传播。
第6页/共27页
LSP
表面等离子体
图a 在共振状态下半径为10nm的金属纳米 颗粒表面的光场分布情况
第26页/共27页
The excitation of SPPs 2. Grating Coupling
Figure j. Phase-matchin第g o27f 页lig/共ht2t7o页SPPs using a grating.
Contents
Part 1 The basic concept Of SPPs Part 2 The dispersion relation of SPPs
Part 3 The excitation of SPPs
第1页/共27页
Part 1 The basic concept Of SPPs
第2页/共27页
The expression shows that SPPs is the surface electromagnetic wave in TM solutions. The change of dielectric constant εd frequency is not big, so that some special phenomenon associating with SPPs comes mainly fr第om15页th/e共m2e7t页al.
第7页/共27页
LSP
表面等离子体
图b 共振状态下半径为10nm的理想金属纳米颗粒的表面电场分布图
共振波长在555nm左右
第8页/共27页
The difference between LSP and SPP
1.两者的色散关系不同，SPP是一种表面的传播场，而LSP是依托于某种表面结构 的局域电磁场振荡，具有一系列分立的、复数的频率，是由产生LSP的表面微结 构的尺度形状决定
表面等离子体
第5页/共27页
The classification of SPPs
1.局域的表面等离激元(Localized Surface Plasmon, LSP)
对于金属纳米颗粒,等离子振动的位置固定,其中的等离子共振模式被称作局域
化表面等离子共振。这种模式由纳米颗粒中的吸收光激发,吸收带被称作
表面等离子体
图e 金属和介质的分界面
第13页/共27页
The dispersion relation of SPPs
Let us first look at TE solutions. For z>0：
For Z面处切向电场分量和磁场分量相等的边界条件，得到：
第14页/共27页
表面等离子体
Figure i. Prism coupling to SPPs using attenuated total internal reflection in the
Kretschmann (left) and Otto (right) configuration. Also drawn are possible
The dispersion relation of SPPs
Then we look at TM solutions. For z>0：
For Z<0：
The requirement of continuity of H表an面d等E l离ea子ds体to：
Then we get the dispersion relation of SPPs of Metallic surface：
2. LSP振荡可以由合适的频率和偏振的光表来面激等发离，子与体激励光的波矢无关，而SPP 的
激发则要求激励光的频率和波矢都要和SPP匹配
第9页/共27页
LSP and SPP can be transformed into each other
在粗糙的表面，LSP和SPP的频率接近LSP振荡可以激励SPP，SPP也可以激发LSP
(d)电磁场强度随着离界面距离增加而衰减
第11页/共27页
Part 2 The dispersion relation of SPPs
第12页/共27页
The dispersion relation of SPPs
如图a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。 SPPS沿X方向传播，考虑它分别以TE波和横磁波TM两种不同的偏振模式在界面上传播。电 场垂直于图中的XOZ平面是TE波，磁场垂直于图a中的XOZ平面是TM波。