7-几种波导--金属薄膜波导及应用
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18
2、表面等离子波显微技术
表面等离子波显微术的图像表示： （a）样品配置 （b）反射率曲线
用于观察金属表面凹凸不平的涂层图像。
19
3、表面增强吸收的应用——探测溶液中化学试剂
纯水
纯水 污染水
污染水
表面等离子波等离子波增强吸收测量法
(SPW方法：吸收增强达70倍)
全内反射测量法(不银膜)
用于模拟计算的参数表
（26）
实验结构图示
反射率：
（27）
带宽小
长程SPW的场分布和能流
带宽大
普通SPW的ATR曲线
长程SPW的ATR曲线
17
三、金属薄膜波导的应用
两大特点：a. 表面等离子波的波矢量是介质介电系数和厚度的灵敏函数； b.表面等离子波具有场的增强效应。
1、免疫反应的实时测量
免疫反应的实时测量 还可观察液晶分子的趋向、LB膜(超薄有机薄膜)的生产过程等。
2、金属薄膜结构的损耗特性
处理思路： 把普通金属薄膜结构（复数）看作理想金属薄膜结构（实数）的微扰系统，导出理想 系统传播常数的微扰，微扰传播常数的虚部就是传导模的损耗系数。
（1）非对称金属薄膜结构 实际系统 色散方程： （18）
微扰传播常数：
（19）纯虚数，仅影响金属薄膜结构的损耗特性！
金属薄膜的有效厚度： （20） 损耗距离： （21）
（9）
(1)考虑金属无吸收情况（物理上不可能实现）：ε i 2 0
β r k0 βi 0
ε1ε r 2 ε1 ε r 2
（10） 忽略虚部，仅仅是略去了SPW的损耗特性！
(2)考虑金属吸收情况： ε i 2 0
β r k0
ε1ε r 2 ε1 ε r 2
ε i 2ε 1 ε1ε r 2 β i k0 2ε r 2 (ε1 ε r 2 ) ε1 ε r 2
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）
4
透射增强作用
1998年，T.W.Ebbesen等人在Nature上发表：Extraordinary optical transmission through sub-wavelength hole arrays.
一束光垂直通过带有周期性小孔阵列的金属膜时，在特定波长上出现 异常透射率增强，达到经典预测值40倍左右。 经典孔径理论：一束波长为λ的光通过直径为d (d<λ)小孔时，透过率为:(d/ λ)4 λ =900nm光波长，d=150nm时，T=0.001; 实测T=0.04 。
20
4、表面等离子增强的双光子激发荧光应用
激发荧光强度是全内反射方法的90倍
荧光强度随入射角变化的实验曲线 双光子激发荧光实验
蓝宝石激光器波长800nm，脉冲宽度200fs，峰值功率50kW，重频76MHz，Ag膜厚度50nm
21
3
介质－金属界面等离子体波的场分布
z x
For propagating bound waves: - kx is real - kz is imaginary
表面等离子波矢量Ksp， 介质波矢量Ks， 等离子共振频率ωp
电磁场幅值沿z轴方向呈指数衰减，在介质中衰减比在金属中慢，即能量主 要集中在介质内。从色散曲线看，波矢Ksp沿x方向比自由空间传播波矢大， 因此在x方向能够表现出比物体更细微的结构，使得表面等离子体波具有超 分辩等能力。
膜厚度的增加而发生红移等现象难以合理解释。
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
TE波(E y , H x , H z ) TM波(H y , E x , Ez )
(2)表面等离子波只存在于界面两侧介质的 介电常数符号相反的情况 （7） (3)表面等离子波的有效折射率为：
（8）
9
2、表面等离子波的损耗特性
设介质2为金属：
ε 2 =ε r 2 iε i 2 ， ε r 2 0, ε i 2 0
正比关系
（11）
10
3、表面等离子波的激发
SPW的两种棱镜耦合激发方式：
(也可以由光栅激发）
以Kretschmann方式为例：
磁场分布：
（12）
实际衰减全反射(ATR)结构
满足共振条件，B2处的反射 反射率公式：
（13）
ATR曲线
11
4、表面等离子波的场增强效应
增强18.8倍
n2 1.515 d 45nm ε1 17.3 i 0.68 n0 1.0
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
15
（2）对称金属薄膜结构 色散方程： （22）
微扰传播常数： （23）
金属薄膜的有效厚度： 损耗距离：
（24）
（25）
超薄金属结构中，损耗极小的对称模式称为长程表面等离子波，即可传输较长的距离，但毫米量级以下！
16
3、长程表面等离子波的激发和增强效应
利用衰减全反射ATR技术激发长程表面等离子波 磁场分布：
Ebbesen效应！ 金属薄膜上周期性排列小孔或狭缝；
带周期结构的连续金属薄膜；金属膜上只有一个小孔或狭缝的结构
5
• Schroter 等人，利用散射矩阵法给出了光透过一维金属光栅 时同样具有这种增强效应！(1998, Phys.Rev.)
理解：光与金属亚波长光栅相互作用时，金属栅表面电子在入射光作 用下沿栅条方向自由振荡，但在垂直于栅条方向上受到限制，因而体 现出强烈的偏振和透射增强光学特性。 两种解释：一种认为金属膜表面等离子体激元的共振激发和耦合导致 了这种增强效应，表面等离子体波(SPW)理论。对于透射增强波长随金属
光耦合器,可调增益均衡器
K. C. Shen… C. C. Yang, et al. Applied Phys. Lett. 92 (2007)
超分辨能力：突破衍射极限，亚波长分辨能力用于亚波 长光刻(采用365nm光源曝光，分辨率达25nm）
: sliver
7
一、光在金属和介质界面中的传播
1、表面等离子波的存在条件
引起衰减全反射ATR光谱分布
采用不同波长光得到不同ATR衰减峰 引起光波场激发增强效应
RefLeabharlann Baiduectivity spectra
2
SPR, SPW ?
表面等离子波(SPW)： 存在于具有自由电子的材料表面的电荷密度波，沿着导体和电 解质的界面传播。发生在金属薄层和电介质分界面上的物理光学现 象。光与介质界面发生全内反射时产生的倏逝波激发金属表面的自 由电子产生。 表面等离子体共振(SPR)： 当入射光(角度或波长)满足一定条件时，SPW与倏逝波的频率 和波数相等，两者发生共振，入射光波被吸收使反射光能量急剧下 降，从而在反射光谱上出现共振峰。 是一种发生在金属薄层和电介质分界面上的物理光学现象。
2、表面等离子波显微技术
表面等离子波显微术的图像表示： （a）样品配置 （b）反射率曲线
用于观察金属表面凹凸不平的涂层图像。
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3、表面增强吸收的应用——探测溶液中化学试剂
纯水
纯水 污染水
污染水
表面等离子波等离子波增强吸收测量法
(SPW方法：吸收增强达70倍)
全内反射测量法(不银膜)
用于模拟计算的参数表
（26）
实验结构图示
反射率：
（27）
带宽小
长程SPW的场分布和能流
带宽大
普通SPW的ATR曲线
长程SPW的ATR曲线
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三、金属薄膜波导的应用
两大特点：a. 表面等离子波的波矢量是介质介电系数和厚度的灵敏函数； b.表面等离子波具有场的增强效应。
1、免疫反应的实时测量
免疫反应的实时测量 还可观察液晶分子的趋向、LB膜(超薄有机薄膜)的生产过程等。
2、金属薄膜结构的损耗特性
处理思路： 把普通金属薄膜结构（复数）看作理想金属薄膜结构（实数）的微扰系统，导出理想 系统传播常数的微扰，微扰传播常数的虚部就是传导模的损耗系数。
（1）非对称金属薄膜结构 实际系统 色散方程： （18）
微扰传播常数：
（19）纯虚数，仅影响金属薄膜结构的损耗特性！
金属薄膜的有效厚度： （20） 损耗距离： （21）
（9）
(1)考虑金属无吸收情况（物理上不可能实现）：ε i 2 0
β r k0 βi 0
ε1ε r 2 ε1 ε r 2
（10） 忽略虚部，仅仅是略去了SPW的损耗特性！
(2)考虑金属吸收情况： ε i 2 0
β r k0
ε1ε r 2 ε1 ε r 2
ε i 2ε 1 ε1ε r 2 β i k0 2ε r 2 (ε1 ε r 2 ) ε1 ε r 2
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）
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透射增强作用
1998年，T.W.Ebbesen等人在Nature上发表：Extraordinary optical transmission through sub-wavelength hole arrays.
一束光垂直通过带有周期性小孔阵列的金属膜时，在特定波长上出现 异常透射率增强，达到经典预测值40倍左右。 经典孔径理论：一束波长为λ的光通过直径为d (d<λ)小孔时，透过率为:(d/ λ)4 λ =900nm光波长，d=150nm时，T=0.001; 实测T=0.04 。
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4、表面等离子增强的双光子激发荧光应用
激发荧光强度是全内反射方法的90倍
荧光强度随入射角变化的实验曲线 双光子激发荧光实验
蓝宝石激光器波长800nm，脉冲宽度200fs，峰值功率50kW，重频76MHz，Ag膜厚度50nm
21
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介质－金属界面等离子体波的场分布
z x
For propagating bound waves: - kx is real - kz is imaginary
表面等离子波矢量Ksp， 介质波矢量Ks， 等离子共振频率ωp
电磁场幅值沿z轴方向呈指数衰减，在介质中衰减比在金属中慢，即能量主 要集中在介质内。从色散曲线看，波矢Ksp沿x方向比自由空间传播波矢大， 因此在x方向能够表现出比物体更细微的结构，使得表面等离子体波具有超 分辩等能力。
膜厚度的增加而发生红移等现象难以合理解释。
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
TE波(E y , H x , H z ) TM波(H y , E x , Ez )
(2)表面等离子波只存在于界面两侧介质的 介电常数符号相反的情况 （7） (3)表面等离子波的有效折射率为：
（8）
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2、表面等离子波的损耗特性
设介质2为金属：
ε 2 =ε r 2 iε i 2 ， ε r 2 0, ε i 2 0
正比关系
（11）
10
3、表面等离子波的激发
SPW的两种棱镜耦合激发方式：
(也可以由光栅激发）
以Kretschmann方式为例：
磁场分布：
（12）
实际衰减全反射(ATR)结构
满足共振条件，B2处的反射 反射率公式：
（13）
ATR曲线
11
4、表面等离子波的场增强效应
增强18.8倍
n2 1.515 d 45nm ε1 17.3 i 0.68 n0 1.0
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
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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
15
（2）对称金属薄膜结构 色散方程： （22）
微扰传播常数： （23）
金属薄膜的有效厚度： 损耗距离：
（24）
（25）
超薄金属结构中，损耗极小的对称模式称为长程表面等离子波，即可传输较长的距离，但毫米量级以下！
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3、长程表面等离子波的激发和增强效应
利用衰减全反射ATR技术激发长程表面等离子波 磁场分布：
Ebbesen效应！ 金属薄膜上周期性排列小孔或狭缝；
带周期结构的连续金属薄膜；金属膜上只有一个小孔或狭缝的结构
5
• Schroter 等人，利用散射矩阵法给出了光透过一维金属光栅 时同样具有这种增强效应！(1998, Phys.Rev.)
理解：光与金属亚波长光栅相互作用时，金属栅表面电子在入射光作 用下沿栅条方向自由振荡，但在垂直于栅条方向上受到限制，因而体 现出强烈的偏振和透射增强光学特性。 两种解释：一种认为金属膜表面等离子体激元的共振激发和耦合导致 了这种增强效应，表面等离子体波(SPW)理论。对于透射增强波长随金属
光耦合器,可调增益均衡器
K. C. Shen… C. C. Yang, et al. Applied Phys. Lett. 92 (2007)
超分辨能力：突破衍射极限，亚波长分辨能力用于亚波 长光刻(采用365nm光源曝光，分辨率达25nm）
: sliver
7
一、光在金属和介质界面中的传播
1、表面等离子波的存在条件
引起衰减全反射ATR光谱分布
采用不同波长光得到不同ATR衰减峰 引起光波场激发增强效应
RefLeabharlann Baiduectivity spectra
2
SPR, SPW ?
表面等离子波(SPW)： 存在于具有自由电子的材料表面的电荷密度波，沿着导体和电 解质的界面传播。发生在金属薄层和电介质分界面上的物理光学现 象。光与介质界面发生全内反射时产生的倏逝波激发金属表面的自 由电子产生。 表面等离子体共振(SPR)： 当入射光(角度或波长)满足一定条件时，SPW与倏逝波的频率 和波数相等，两者发生共振，入射光波被吸收使反射光能量急剧下 降，从而在反射光谱上出现共振峰。 是一种发生在金属薄层和电介质分界面上的物理光学现象。