表面等离子体激元简介报告.docx
（完整word版）表面等离激元
（完整word版）表⾯等离激元表⾯等离⼦体共振波长1.共振波长的基本求解思路表⾯等离激元(SP)是指在⾦属和电介质界⾯处电磁波与⾦属中的⾃由电⼦藕合产⽣的振动效应。
它以振动电磁波的形式沿⾦属和电介质的界⾯传播，并且在垂直离开界⾯的⽅向，其振幅呈现指数衰减。
表⾯等离激元的频率与波⽮可以通过⾊散关系联系起来。
其垂⾄于⾦属和电解介质界⾯⽅向电磁场可表达为:式中表⽰离开界⾯的垂直距离，当时取+，时取⼀。
式中为虚数，引起电场的指数衰减。
波⽮平⾏于⽅向，，其中为表⾯等离⼦体的共振波长。
由表达式可见，当时，电磁场完全消失，并在时为最⼤值。
函数，以及电介质的介电常数来求解表⾯等离激元的的⾊散关系，由公式: ，可得到等离激元⾊散关系式为: ，如果假设和都为实数，且，则可获得⼀个较为复杂的⾊散关系式其中， (从实部可以计算SPPs 的波长'2/x SPP K λπ=，SPPs 的传播距离SPP δ主要决定于虚部''2SPP SPPs k δ=2. ⾦属表⾯等离体⼦频率的求解当波⽮较⼤或者时，的值趋向于21P SP ωωε=+ 对于⾃由电⼦⽓，，是⾦属体电⼦密度，是电⼦有效质量，是电⼦电荷。
因此，随增⼤⽽减⼩。
(1)具有理想平⾯的半⽆限⾦属全空间内电势分布满⾜拉普拉斯⽅程：由于在⽅向上介质和⾦属都是均匀的，所以可令解的形式为得拉普拉斯⽅程的解由以及边界条件：可以得到介质与⾦属相对电容率之间的关系：,假设介质的相对电容率为与频率⽆关的常数，由⾦属相对电容率的表⽰式可知因此⾦属表⾯等离体⼦频率为当介质为真空时，得到⾦属表⾯等离体⼦频率为(2)⾦属中存在着⼤量的价电⼦，它们可以在⾦属中⾃由地运动．由于价电⼦的⾃由移动性及电⼦间存在着库仑相互作⽤，所以在⾦属内部微观尺度上必然存在着电⼦密度的起伏．由于库仑作⽤的长程性，导致电⼦系统既存在集体激发(即等离体⼦振荡)，也存在个别激发(即准电⼦)．⽽在⼩波⽮近似下只存在集体激发，故可以将电⼦密度的傅⾥叶分量作为集体坐标来描述这种关联，在k ⼀0的极限下，有式中为单位体积内的电⼦数．由此⽅程可以得到⾦属内等离体⼦振荡频率从以上讨论及推导可以看出，⾦属等离体⼦振荡实际上是在库仑作⽤参与下的⾼粒⼦数密度系统中电⼦的集体运动，等离体⼦就是电⼦集体振荡的能量量⼦．由于库仑势场是纵场，因此等离体⼦是纵振动的量⼦．以上所讨论的情况没有考虑到⾦属边界的影响，即认为⾦属是⽆限⼤的，计算得到的频率为块状⾦属中的体相等离体⼦频率．3.⾦属介电常数的求解(1)另外，根据Drude ⾃由电⼦⽓模型，理想⾦属的介电⽅程可写为: 22()1p i ωεωωτω=-- ,p ω是等离⼦体振荡频率,,τ是散射速率描述电⼦运动遭遇散射⽽引起的损耗， 161311.210/, 1.4510p rad s s ωτ-=?=?对于银,。
表面等离子体激元基本特征研究
[收稿日期]2007-04-28[作者简介]李继军(1972-),男,1996年大学毕业,硕士,讲师,现主要从事导波光学和大学物理方面的教学与研究工作。
O 长江大学科研发展基金项目(2006Z2074)表面等离子体激元基本特征研究李继军,吴耀德,宋明玉 (长江大学物理科学与技术学院,湖北荆州434023)[摘要]表面等离子体激元(Surface Plasmo n Polariton,SPP )是束缚在金属表面的一种电磁波模式。
研究了SPP 的基本原理,推导出它的色散方程,计算了在可见光到近红外区域的与SP P 有关的4个特征长度:SP P 波长、SP P 在界面上的传播距离以及SPP 在介质和金属中的穿透深度。
[关键词]表面等离子体激元;色散方程;波长;传播距离;穿透深度[中图分类号]O43715[文献标识码]A [文章编号]1673-1409(2007)04-N 046-04表面等离子激元(Surface Plasmon Polariton,SPP)是由光和金属表面自由电子的相互作用引起的一种电磁波模式[1]。
它局限于金属与介质界面附近,能形成增强近场。
SPP 对表面环境具有很高的灵敏度,被广泛地应用于生物传感上[2]。
传统光学器件受到衍射极限的制约,其尺度的微小化和集成度受到限制,但是SPP 的特征可以很好地突破衍射极限,为制造基于SPP 的集成光路应用于高速光通讯提供了可能。
由于以上原因及钠米制造和表征技术的兴起,目前对于SPP 的研究非常广泛。
笔者研究了SPP 的基本原理,推导出它的色散方程,重点讨论了它的4个特征长度O 。
图1 金属和介质的分界面1 色散关系如图1所示,金属和介质的分界面在z =0处,E d 是介质的介电常数,E m 是金属的介电常数。
SPP 沿X 方向传播,考虑它分别以横电波(Transverse Electric,T E)和横磁波(Transv erse Mag netic,TM )2种不同的偏振模式在界面上传播。
LSPR
Resonance (LSPR) 表面等离子体共振
等离子体（plasma）
• 正、负带电粒子数目 相等 ，是物质存在的与固态、液态和气态 并列的一种状态，称为物质的第四态。宇宙中大部分物质处于等 离子状态。
等离子体激元(Plasmon)
• 电子易运动，电子间存在长 程的库伦力相互作用。单个 电子的局域振动会引起体系 内电子运动的关联，造成电 子密度相对于正电背景集体 振荡，传播，但其能量是不 连续的，是量子化的。这个 量子化的能量便为等离子体 震荡量子，也就是等离激元 plasmon。
photon is called a surface plasmon polariton。
② 局限于金属颗粒或粗糙表面的局域表面等离激元LSPs (Localized surface plasmons) surface plasma excitations in bounded geometries are called
localized sur着表面方向传播
波矢匹配的 入射光产生 的消逝波会 与SPP产生
共振
LSPS
入射光与 LSP频率匹 配产生共
振
SPP LSPs
发生 界面
共振产生条件 （波矢匹配）
连续界面， L» λ
介质与表面材料介电常 数实部相反，且虚部绝
粗糙表面，或者颗粒，对值较小 L＜λ
频率和波数一致 频率一致
LSPR
Resonance
Selective resonance absorption
UV-Vis-NIR absorption
E
Field
enhancement
谢谢
第10讲_表面等离子体激元
SPP at Ag/SiO2
光频“X-ray 波长”!
Re(β)
• •
SPP波长可以在光频达到纳米级！得到亚波长约束 光不能直接在平板金属表面激发SPP。
19
怎样激发的? – 下一讲介绍
表面等离子体的基本性质：亚波长约束、局域场增强和反常色散
SPP的传播距离和损耗 三个特征尺度（重要！）：
振荡强度减小到1/e的传播长度
如果 > 0 且 < 0 会是哪种偏振？
<0 且 < 0 又是怎样？
13
画出SPP色散曲线
两个合理的前提条件: 1. 非色散介质: εd = 常数
md c m d
m
p2 2. 无衰减的Drude金属: m() 1 2
• 在低频ω: εm→−∞
(趋向电介质的light line)
10
两套独立的解:
用 Ey, Hx, Hz表示TE 解
Hz Hx Ey Ez
用 Hy, Ex, Ez表示TM 解
Hy
Ex
5
2014/2/24
对TM 的解:
kzEx i Ez i0Hy kzH y i0Ex iHy i0Ez
边界条件: Hy1 Hy2, Ex1 Ex2
('m> 0)
real β real ikz
c
禁带
介质中的色散曲线Light line
(d< 'm < 0)
imaginary β real ikz
sp
k1z k2z
z
2 E
c
kx kx
m d m d
('m < d)
表面等离子体激元简介
表面等离子体激元简介(共4页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--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。
表面等离子体激元
表面等离子体激元
表面等离子体激元（surface plasmon polariton，SPP）是研究与复
杂光学、电磁和物理行为相关的材料和结构的有效载体，具有重要应
用价值。
它可以将光信号传输到固体的内部，并使光子显得更短，这
为传递信息提供了新的可能性。
表面等离子体激元描述了物理表面上发生的电磁激励现象。
它们类似
于传统的电磁波，但具有新的特性，包括在固体物质表面反射回来的
大量能量和短波长。
SPP由一个电磁波和一个等离子体波强相互作用而产生，这两种波抵消并形成一种新的组合波。
表面等离子体激元的特性给它带来了几个关键优势。
它们可以用来实
现高密度的电磁能量传输，并能够以最少的时间传输信号。
它们还可
以用来控制传输的方向，因此可以实现高度有效的光学传输。
此外，
它们还将光子的波长缩短，从而可以实现高信噪比的传输，在存储和
运输光信息中发挥重要作用。
表面等离子体激元在多个领域都发挥着关键作用，如通信、电子系统
设计和光学系统设计。
它们在激光打印、光学散射和拉曼分析（Raman scattering）等技术中也被广泛应用。
此外，它们还为光子学中的调
制器、衍射元件和其他器件发挥着重要作用。
表面等离子体激元现在已经成为光子学中不可或缺的研究对象，它们
可以实现更快、更精准的处理和传输信号，并在全球各个行业发挥巨
大的作用。
它们已经从研究阶段走向实践应用，且未来前景一片光明。
细说神奇的表面等离子体波(Word)
细说神奇的表面等离子体波光通信的新宠——表面等离子体波光纤是现在全世界最普遍使用的传递光信号的传播器件。
它巨大的容量使得科学研究人员对于它将来能够取代微处理器和电子计算机芯片中的各种电子器件充满信心。
但是很不幸的是，光纤的尺寸太大使得它和小巧的芯片接口无法匹配。
光电子器件大的原因在于其尺寸被衍射这一物理规律所制约。
空间中相聚很近的光之间会相互干涉叠加，这导致承载光信号的光纤的最小宽度是光波长的一半。
芯片上传播的光信号通常是1500nm波长的远红外光（这也是人类规定的一切通讯电磁波的波长）。
这样光纤的最小宽度会远大于我们目前正在使用的纳米电子器件（硅的集成芯片通常只有100nm的量级），使得光纤和芯片的接口无法匹配。
毫无疑问，人类对于这个衍射极限是无法突破的，因此一度陷入沮丧。
但是最近几十年来，人们发现了一种可以用做电子器件与光纤通信媒介的现象：plasmon （表面等离子体波在金属和介质表面的震动），使得整个研究方向重现曙光。
当电磁波在金属和介质表面传播的时候，会引起金属表面电子的共振。
电子振动的频率和电磁波是吻合的，但是却有着比电磁波小很多倍的波长（如上图所示）。
这意味着，这种表面plasmon振动的波长是被极大压缩了的，可以用来连接大尺度的光纤和纳米级的电子器件。
在金属和电介质表面可以看到，在光纤中同样频率电磁光的波长在meta-material（利用上述plasmon现象制作的材料）中被压缩了几十甚至上百倍（如上图所示），这样光纤和芯片接口尺寸不匹配的问题被解决了，我们只需要在中间加一个plasmonic的转换过渡（如下图所示）。
该器件的一个极大的优点就是低功耗。
或许有人会疑惑，因为人们对金属的第一印象就是电磁波会被金属所吸收转化成热量。
然而这种表面的plasmon的功耗极小，因为它只是在金属的表面振动，根本没有进入金属内部，所以自然耗散极小。
表面等离子体波的历史1）炼金术士的彩色酒杯炼金术士们在几千年前就已经不经意地参杂金属物质，通过plasmonics的效应来制作有颜色的酒杯。
表面等离子激元
表面等离子激元
什么是表面等离子激元?
1. 表面等离子激元(SPs)是一种表面等离子体,即各向同性电荷云(ECCs),
它们生长在多个具有吸引力的表面上。
2. 表面等离子激元通常在加热表面时形成，激元的表面结构有细胞结构、纳米结构和微米结构。
它们由费米子、原子核和电子形成。
3. 表面等离子激元可以吸收和反射入射的辐射，且对表面温度的变化
也有较大的影响，对黑体辐射的数量有着较大的影响。
4. 除此之外，表面等离子激元还可以在太阳能电池中用作发光元件，
能够把辐射能量转换为电能。
5. 同时，表面等离子激元还可以用于药物传递和纳米医学研究，可以
作为作为用于诊断和治疗疾病的指标物质。
体内的激元可以将激发态
发射到细胞表面，起到治疗疾病效果，使疾病状况得到改善。
6. 由于表面等离子激元的独特性，它们在抗菌和抗致病方面被越来越
多的应用于现代的医学。
7. 在材料科学领域，表面等离子激元可以应用于多种材料，如金属、
陶瓷、塑料等，可以改变它们的物理和化学性质，使它们的性能变得
更好。
8. 此外，表面等离子激元还可以用于降解有害物质，如污染物、毒素、药物废弃物等，是实现水污染控制、改变制造业里污染物含量的重要
途径。
9. 综上所述，表面等离子激元是一种非常有用的物质，可用于多种应
用和场景，如太阳能电池、药物传递、抗菌和抗致病、材料科学、降解有害物质等，将为人类丰富的生活提供更多的帮助。
表面等离子体激元研究现状及应用
表面等离子体激元研究现状及应用黄增盛（桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林 541004）摘要：表面等离子体激元（SPPs）是在金属和介质界面传播的一种波动模式，本文主要讨论了的一些基本特性，概述了现在阶段主要的一些激发产生的方式。
描述了在集成光通信上的应用，比如基于表面等离子体激元的纳米激光器、新型波导和SPPs耦合器等纳米光子器件。
分析了表面等离子体共振(SPR)技术在生物及医疗领域的新应用，并对其在治疗癌症方面的技术原理进行了讨论。
介绍了SPPs在新型光源和能源领域的发展和应用情况，最后讨论了SPPs在光存储方面的快速发展。
关键词：表面等离子激元；表面等离子体共振；纳米激光器The research situation and applications of surfaceplasmon polaritonsHuang Zeng-sheng(School of Information and Communication Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China) Abstract:Surface plasmon polaritons (SPPs) is in a wave pattern of dielectric and metal interface communication, some basic properties are discussed in this paper, an overview of the main stage generated now some way. Described in the application of integrated optical communication, such as nano lasers, novel waveguide and SPPs coupler base on the surface plasmon. Analysis new technology applies of the surface plasmon resonance (SPR) in biological and medical fields, and the principle of the technique in the treatment of cancer are discussed. Introducing the SPPs development and application in the new field of energy source, and finally discussed the rapid development of SPPs in optical storage.Key words: The surface plasmon polaritons; The surface plasmon resonance; The nano lasers表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons, SPPs)是光和金属表面的自由电子相互作用所引起的一种电磁波模式,或者说是在局域金属表面的一种自由电子和光子相互作用形成的混合激发态。
表面等离子体激元增强非线性的原理及应用_任梦昕
５０，０８０００１激光与光电子学进展ｗｗｗ．ｏｐｔｉｃｓｊｏｕｒｎａｌ．ｎｅｔ表面等离子体激元增强非线性的原理及应用任梦昕１，２ 许京军１，３１弱光非线性光子学教育部重点实验室，天津３００４５７２南开大学泰达应用物理学院，天津３００４５７；３南开大学物理科学学院，天津（）３０００７１摘要 介绍了表面等离子体激元的电磁场局域与放大效应对于非线性响应的增强机制。
电磁波与金属中自由电子耦合所产生的表面等离子体激元，可使金属表面亚波长空间尺度内的电磁场能量密度得到增强，放大非线性效应幅度，降低非线性过程所需要的入射光强，实现纳米尺度内弱光非线性效应的产生。
以纳米颗粒为例介绍表面等离子体激元共振对于电磁场及非线性增强的机理，同时介绍描述纳米复合材料有效非线性系数的有效非线性介质理论，并使用该理论分析表面等离子体激元场对于非对称裂环超材料有效非线性的调控能力，最后介绍了利用表面等离子体激元共振场实现对于非线性旋光效应的增强。
利用等离子体激元增强非线性为实现纳米弱光非线性技术提供了一种很好的途径。
关键词 非线性光学；等离子体激元；ｚ扫描；超材料；双光子吸收；非线性旋光；场增强中图分类号 Ｏ４３７ 文献标识码 Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＬＯＰ５０．０８０００２Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｐｏｌａｒｉｔｏｎ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ ａｎｄ ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓＲｅｎ Ｍｅｎｇｘｉｎ１，２ Ｘｕ Ｊｉｎｇｊｕｎ１，３１ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｗｅａｋ Ｌｉｇｈｔ Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００４５７，Ｃｈｉｎａ２ ＴＥＤＡ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｓｃｈｏｏｌ，Ｎａｎｋａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００４５７，Ｃｈｉｎａ３ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｎａｎｋａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３０００７１，烄烆烌烎ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｓ ｆｏｃｕｓｅｄ ｏｎ ａｎ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｂｙ ｆｉｅｌｄｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｐｏｌａｒｉｔｏｎ（ＳＰＰ）．Ｂｙ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｃｉｄｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｍｏｔｉｏｎ ｏｆ ｆｒｅｅ－ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｐｌａｓｍａ ｉｎ ｔｈｅ ｍｅｔａｌ，ＳＰＰ ｉｓ ｅｘｃｉｔｅｄ ｎｅａｒ ｔｈｅ ｍｅｔａｌ ｓｕｒｆａｃｅ，ｐｒｏｖｉｄｉｎｇｆｉｅｌｄ ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ ｉｎ ｎａｎｏｓｃａｌｅ，ｗｈｉｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ ｍａｇｎｉｔｕｄｅ．Ｔｈｅｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｒｅｑｕｉｒｅｄ ｆｏｒ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ ｄｒａｍａｔｉｃａｌｌｙ ｒｅｄｕｃｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ ｏｆ ｗｅａｋ ｌｉｇｈｔ ｎｏｎｌｉｎｅａｒｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎ ｎａｎｏｓｃａｌｅ ｉｓ ｐｏｓｓｉｂｌｅ．Ｓｔａｒｔｉｎｇ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ ｂｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａ ｔｈｅｏｒｙ ｆｏｒ ｔｈｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｉｒｄ－ｏｒｄｅｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｕｓｃｅｐｔｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｎａｎｏ－ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｆｕｒｔｈｅｒ ｕｓｅｄ ｔｏａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ａｎ ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｓｐｌｉｔ ｒｉｎｇ ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｉｓｕｓｅｄ ｔｏ ｅｎｈａｎｃｅ ｔｈｅ ｍａｇｎｉｔｕｄｅ ｏｆ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｏｐｔｉｃａｌ ａｃｔｉｖｉｔｙ ｅｆｆｅｃｔ．Ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｂｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎｉｓ ｐｒｏｖｅｄ ｔｏ ｐａｖｅ ａ ｗａｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｗｅａｋ ｌｉｇｈｔ ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ ｉｎ ｎａｎｏｓｃａｌｅ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｏｐｔｉｃｓ；ｐｌａｓｍｏｎ ｐｏｌａｒｉｔｏｎ；ｚ－ｓｃａｎ；ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ；ｔｗｏ－ｐｈｏｔｏｎ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ；ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｏｐｔｉｃａｌａｃｔｉｖｉｔｙ；ｆｉｅｌｄ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔＯＣＩＳ ｃｏｄｅｓ １９０．４４００；１３０．４３１０；１６０．３９１８ 收稿日期：２０１３－０５－１７；收到修改稿日期：２０１３－０５－２２；网络出版日期：２０１３－０７－０９基金项目：国家９７３计划（２０１３ＣＢ３２８７０２，２０１０ＣＢ９３４１０１）、国家自然科学基金（１１００４１１２，１１２０４１４２）、高等学校学科创新引智计划（Ｂ０７０１３）、中央高校基本科研业务费专项资金作者简介：任梦昕（１９８５—），男，讲师，博士研究生，主要从事纳米光学及光子学方面的研究。
表面等离激元
Surface plasmon polaritons(SPPs)
Surface plasmon polaritons (SPPs), are
infrared or visible frequency electromagnetic waves, which are trapped at or guided along metal-dielectric interfaces. These are shorter in wavelength than the incident light (photons). Hence, SPPs can provide a significant reduction in effective wavelength and a corresponding significant increase in spatial confinement and local field intensity. Collective charge oscillations at the boundary between an insulating dielectric medium (such as air or glass) and a metal (such as gold, silver or copper) are able to sustain the propagation of infrared or visible frequency electromagnetic waves known as surface plasmonpolaritons (SPP). SPPs are guided along metal-dielectric interfaces much in the same way light can be guided by an optical fiber, with the unique characteristic of subwavelength-scale confinement perpendicular to the interface.
表面等离子激元传感器在生物分析中的应用
表面等离子激元传感器在生物分析中的应用近年来，表面等离子激元传感器(SPR)作为一种高灵敏度、实时监测生物分子交互作用的技术逐渐在生物领域中得到广泛应用。
其主要应用领域包括生命科学、医学、环境监测等。
本文将从原理、制备、应用及未来发展方向等方面来探讨SPR在生物分析中的应用。
一、SPR原理表面等离子激元传感器是利用金属薄膜表面以全反射方式传播的等离子激元共振现象，对金属表面生物分子吸附引起的局部折射率变化进行实时监测的一种无标记、无杂质的方法。
当激光束照射金属薄膜表面时，当折射率能与入射光k_0成立时，金属表面上将激发出一对等离子体波，这对等离子体波在金属表面向外传播形成一个场，这个场的存在可以感应出环境中折射率变化的微小量。
当生物分子与金属表面发生相互作用时，该微小量折射率的变化将产生共振平移，因而SPR可以实时监测到生物分子的吸附过程及吸附程度。
二、SPR制备SPR的制备主要包括以下几个步骤：金属薄膜的制备、传感芯片的准备、传感芯片的修饰及生物分子的固定。
1. 金属薄膜的制备通常采用的金属材料有银、金、铜等，其中银是最为常用的金属材料。
其制备方法包括真空蒸镀、热蒸发和光刻等方法。
2. 传感芯片的准备传感芯片材料一般采用玻璃或石英晶体。
表面经过处理后形成一均匀透明的薄膜。
这个薄膜是固定金属薄膜的基础。
3. 传感芯片的修饰通常通过改变传感芯片表面的化学性质来修饰传感芯片，以增加生物分子的吸附和固定。
化学修饰的方法包括自组装单分子膜、共价偶联和静电吸附等。
4. 生物分子的固定将生物分子吸附到修饰后的传感芯片表面，通过其中位于生物分子中的官能团与传感芯片表面的官能团间相互反应，实现了生物分子在传感芯片上的固定。
三、SPR应用1. 生命科学在生命科学方面，SPR可以实时监测和研究抗体与抗原的相互作用过程，为抗体研发和筛选提供有力的手段。
此外，也可以用于细胞膜受体和配体的相互作用研究和微生物的检测。
2. 医学领域在医学领域中，SPR可以用于制药及临床药物研发。
表面等离子体共振实验报告
表面等离子体共振实验报告表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）是一种新兴的生物物理学实验技术，它利用生物分子的相互作用引起光学信号变化的原理，实现了对生物分子之间相互作用的实时监测和定量分析。
本实验主要介绍了SPR技术的基本原理、实验步骤和结果分析。
一、实验原理1、SPR原理SPR技术是建立在一种特殊介质——金属膜上的表面等离子体共振现象基础上的。
当在金属膜表面通过介质（如生理盐水、缓冲液或样品溶液）传递光束时，由于光学介质的折射率不同，光束会发生反射和折射。
在一定条件下，当角度θ满足反射波与表面等离子体波相互干涉的条件时，会出现表面等离子体共振现象（SPR）。
此时金属膜表面的电磁场强度将达到最大值，后继的微小角度变化将引起表面等离子体波强度和位置的变化，从而改变反射光强与入射角度θ的关系。
这种关系可以被记录下来，形成一条SPR曲线。
当样品中的目标分子与另一种生物分子在金属膜表面结合时，目标分子的存在将导致其阻挡反射波与表面等离子体波之间的干涉，从而进一步改变SPR曲线，因此可以通过记录SPR曲线来精确确定生物分子之间的相互作用强度和特异性。
2、SPR实验原理通常SPR实验需要使用一台SPR仪器。
这种设备包括一个光学系统和一个流体系统。
光学系统由一束激光和一个检测器组成，激光发出的光束通过一个棱镜和已有特定介质的金属膜，最终进入检测器接收信号。
流体系统由一个自动进样器和一组泵以及一组温控组件组成，流体系统负责通过SPR芯片的金属膜表面注入样品，并且在观测期间对温度进行有效控制。
当样品流经SPR芯片并与上基质表面结合时，实验者可以通过SPR曲线的变化来确定其结合亲和力和特异性。
二、实验步骤本实验是一个基于SPR技术的生物分子相互作用研究实验，具体步骤如下：1、SPR芯片活化将SPR芯片在流体系统中循环使用混合物（如EDC和NHS）和以乙酰胆碱（Acetylcholine，Ach）为基质的样品溶液，这时导致芯片表面生成一个稳定的酯缩合物，可以在酯缩合物上联结其他分子。
表面等离子体激元研究和介绍
表面等离子体激元的原理与应用
材料研究与应用 2024，18（1）：81‐94Materials Research and ApplicationEmail ：clyjyyy@http ：//mra.ijournals.cn 表面等离子体激元的原理与应用王强1,陈泳竹2*（1.广东技术师范大学光电工程学院，广东 广州 510665； 2.广东技术师范大学研究生院，广东 广州 510665）摘要： 光与物质之间的相互作用，被视为光学应用的最基础物理问题。
由光与凝聚态物质之间的相互作用形成的表面等离子体激元（Surface Plasmon Polaritons, SPPs ），是一种新型的元激发准粒子，因其具有独特的色散和局域场增强特性引起广泛关注。
SPPs 器件打破了传统光学衍射限制，在纳米光子器件中有独特优势，应用于微纳光子学的前沿研究。
阐述了SPPs 的色散关系、激发方式、传播形式和物理性质，重点探讨了SPPs 在波导、近场光学、传感器、生物医疗、光子芯片、表面增强拉曼散射和太阳能电池等方面的应用，并提出了研究前景。
关键词： 表面等离子体激元；衍射极限；局域场增强；表面等离子体共振；亚波长光学应用；波导；光子芯片；原理中图分类号：O436 文献标志码： A 文章编号：1673-9981（2024）01-0081-14引文格式：王强，陈泳竹.表面等离子体激元的原理与应用［J ］.材料研究与应用，2024，18（1）：81-94.WANG Qiang ，CHEN Yongzhu.Principles and Applications of Surface Plasmon Polaritons ［J ］.Materials Research and Applica‐tion ，2024，18（1）：81-94.0 引言新世纪以来，计算机技术的迅猛发展和理论知识的不断创新，给人类生活带来极大便利的同时也加快了科学发展的脚步。
电子线路固有的发热现象和数据传输能力不足，极大地限制了计算机运行速度的大幅度提高。
表面等离子体激元
表面等离子体激元等离子体激元简介：1. 等离子体激元（Plasma excitations）是一种物理现象，有时被称为“等离子体谐振”，是由原子和分子独立离子体（等离子体）中的激元（具有瞬时态能量）引起的。
2. 在固体表面中，等离子体激元是空间场分子、原子和电离等离子体形成的结构性空间声子，可以产生在表面上的有效电场。
3. 等离子体激元是一种瞬态物质状态，即一种瞬态场状态，指的是一种瞬态的、有激元结构的电磁场。
4. 等离子体激元的频率一般位于电离和吸附能带之间，有一定的频率范围，可以在表面等离子体上进行观测和测量。
5. 在等离子体激元中，电场作用于表面上的离子移动，形成一个新的电极化层结构，产生新的电场，进一步影响表面电荷分布和表面离子移动，形成一种反馈机制，使表面的电离能级随着产生的等离子体激元而波动，并保持某种电场状态。
6. 由于等离子体激元的出现，将有利于研究表面的电学性质，进而帮助我们了解表面电子结构、解释复杂的表面现象，以及制备具有各种功能的等离子体表面。
7. 等离子体表面激发有时可以产生很强的表面plasmon响应，由此可以解释许多表面特质，比如表面等离子体的新峰，动力学上的隔离等。
8. 表面等离子体激元的研究不仅有助于揭示表面各种物理化学性质，而且也对表面工程、光化学和显微镜有重要作用，还可以帮助我们制备新型材料，例如金属-聚合物复合材料等。
9. 研究表面等离子体激元可以采用多种方法进行测量，比如红外光谱技术、光学显微镜、表面等离子体共振光谱学测量等，它们均可用来研究等离子体激元的形成机制。
10. 在实际应用中，表面等离子体激元也可用于表面活性物质的检测，是检测低分子量有机物的有效方法之一。
此外，也可以用于分析有机化合物的表面活性，来进行有机物的分离和纯化。
物理学研究进展-表面等离激元篇
物理学研究进展表面等离子体共振技术及其应用表面等离子波SPW (surface plasmon wave)也译为表面等离子激元或表面电磁波,是沿金属和介质界面传播的表面电磁波.在一定条件下,SPW可与入射光TM(横磁波)极化能量耦合并被共振激发,这种现象称为表面等离子体共振SPR (surface plas2ma resonance).20世纪70年代初, Otto和Kretschmann等人的著名工作引起了SPR技术的研究热潮[1,2].此后SPR技术迅速发展起来,并在多个学科领域得到应用,如生化传感器、物理特性测量仪器、光波导偏振器、表面非线性光学检测、表面膜层特性研究等.本文介绍国内外SPR技术的一些最新应用.1 表面等离子体共振技术简介只有在一定的配置下,空间传播的光才能与SPW发生耦合,图1是三种SPR配置方式.Otto型和Kretschmann型都是利用全内反射形成的隐逝波.Otto型金属和全内反射表面之间有约几十纳米的介质间隙,金属可以是半无限宽的.这种配置的应用较少.Kretschmann型采用真空蒸镀,磁控溅射等方法直接在全内反射表面镀一层几十纳米厚的金属膜,是应用最为广泛的配置形式.在两种隐逝波耦合方式中,入射光必须为p偏振光,因为只有p偏振光有垂直于金属-介质界面的电场分量. 散射光栅型配置方式的数学形式十分复杂,结构相对简单.其耦合器件是表面为金属镀膜的光栅.此外,入射到粗糙金属表面的光也可与S P W发生耦合.设入射光角频率为ω,入射角为θ,介质介电常数为εd,则x方向上的波矢k x 为:根据Maxwell方程,可以推导出SPW波矢ksp:式中εM 为金属介电常数的实部,ε a 为金属表面电介质的介电常数,当k x = ksp 时,就产生共振,共振角为:产生SPR时,SPW可增强几百倍,因此SPR具有显著的表面增强效应.此外,SPR对金属膜表面介质的光学特性、入射角、入射光的波长和偏振状态、金属膜及其表面介质的厚度等因素十分敏感,这些性质使SPR现象能在许多方面得到应用.2 SPR传感器生化传感器已经广泛应用于高灵敏度生化检测[3].1983年, Liedberg等人首次将SPR 技术应用于生化传感器以来,在这一领域国内外每年都有大量论文发表[4].Biacore AB 公司率先开发出首台商品化SPR仪器,现已有数家国外公司出售此类产品,这个产业每年的产值达几十亿美元.这种传感器的原理基于SPR 对金属表面介质折射率变化的敏感特性.图2是商业型的SPR传感器的一般结构.对于棱镜型SPR 传感器,一般选择折射率较高的光学材料作棱镜.棱镜的形状可以是等腰直角三角形或半球形,其中半球形棱镜最为理想,入射光始终与棱镜表面垂直,减少光能的损失.为避免金属膜对棱镜表面的破坏,一般将金属膜镀在玻璃片上作为芯片,通过折射率与棱镜一致的匹配液将芯片固定在棱镜上.金属膜表面固定着一层具有分子识别功能的敏感膜. 早期的SPR传感器将分子直接吸附在金属膜表面形成敏感膜,后来Mor2gan等人发明了一种经典的方法,在金膜表面先覆盖一层生物素(biotin),然后固定一单层抗生物素蛋白链菌素(strep tavidin)[5].该方法可保证传感器表面的均一性和功能上的特异性.此外还有葡聚糖凝胶法、LB膜法和分子印膜法等.微流通池处理系统是一个反应装置,有两个端口以便液体样品的进出.敏感膜与样品在流通池中发生反应,并将待识别的分子吸附在敏感膜上,同时敏感膜介电常数发生变化,由此导致共振角和共振波长的变化.检测时可采用固定入射光波长扫描入射角的方法,此时可观测到待检测分子结合前后共振角的变化;也可采用固定入射角扫描入射光波长的办法,此时光源为复色光源,可观测到最佳共振波长的变化.SPR传感器灵敏度很高,一般在nmol 量级以上.此外还有相位检测的方法, Kabashin等人[6]采用p偏振的入射光,经分束器后分为一束参考光和一束信号光,观察干涉条纹的分布和强度变化,从而推导出信号光的相位变化和样品折射率的变化.实验中观测到的最小折射率变化为4 ×10-8,比扫描入射角的方法高两个数量级.Ho等人[7]采用的入射光偏振方向为任意的, s偏振的光经棱镜- 金属界面反射后相位变化不大,p偏振的光经棱镜- 金属界面反射后相位发生突变.光束经过共振吸收后的出射光引入Mach - Zehnder干涉仪,然后将干涉图样输入计算机,通过比较由样品折射率变化引起的干涉图样的变化推算相位的变化.这种实验装置消除了由机械振荡或温度变化带来的相位转移.图3所示为一种新的光纤型SPR传感器[8].将一段光纤的包层去掉,在芯层侧面镀上金属膜,在金属膜表面同样固定着一层具有分子识别功能的敏感膜.光波在光纤内部经多次衰减全内反射而耦合到金属膜表面.在光纤的出口端检测出射光.当敏感膜与待测样品发生反应时,出射光强会发生变化,由此判断样品中是否含有待测目标分子及其含量.光纤型SPR传感器具有体积小、可实现远程测量等优点.按信号接受方式不同,可分为在线传输式和终端反射式两种. 其中,对于终端反射式,光线经过两次共振吸收后传输到光纤光谱仪中进行检测,传感部位的光纤长度比在线传输式的短,不需要流通池,而且更适合于远程测量和组成阵列.Brockman等人基于光栅型配置方式进行了SPR传感器的研究[9].耦合器件为镀有金膜的塑料散射光栅,入射到金膜表面的光向各个方向反射,某个反射角的反射光由于与SPW产生共振而强度最小,这个吸收谷可以使用CCD阵列检测. 这种传感器的优点是:抛弃了笨重的棱镜;塑料散射光栅可用光盘刻录技术进行低成本大批量生产;可在同一张光栅上组成阵列. B rockman等人希望进而开发结构类似CD - ROM的传感器,这种传感器将快速从光盘样式的芯片上读取阵列信息.3 SPR应用于近场扫描光学显微技术Fischer等人最早将SPR 技术应用于近场扫描光学显微技术( near2field scanning op tical microscopeNSOM)[10].当时使用的微探针为附着在棱镜表面的聚苯乙烯颗粒.棱镜内全反射的光与镀在棱镜表面和聚苯乙烯颗粒上的金膜产生共振.样品是显微镜的物镜,一方面,可用显微镜来观察和选择聚苯乙烯颗粒,另一方面,物镜的弧度有利于探针和样品的相互接近. 实验显示共振的SPW极大地增强了近场光学显微镜的信噪比.随着NSOM的发展,光纤微探针成为主流. Marti 等人首先使用Kretschmann配置中的镀膜棱镜作为样品,取得同样的效果[11].此外,SPR技术用于研制高分辨率近场光学显微镜.由于NSOM 的光纤微探针尖端无法做得很细,因此分辨率只能达到十几纳米,不能象STM和AFM那样达到原子级分辨率.后来研制出几种高分辨率的NSOM.其中一种基于SPR技术的近场光学显微镜的分辨率可直接达到原子水平.SPW在金属表面传播时,遇到杂质、缺陷等将会发生散射,此处共振的SPW作圆锥辐射,圆锥顶角与入射角相同.若AFM的实心针尖在金属表面扫描,将作为一个散射中心,辐射出的圆锥形光携带针尖处的信息.由于圆锥辐射光比较微弱,一般用一个锁相放大器以一定频率驱动微悬臂,并检测光电转换器件的输出信号中的同频成分.上述应用SPR 技术的近场光学显微镜已经在物理、化学、生物、医学等方面的高分辨率成像得到广泛的应用.值得一提的是,除此基本用途以外,还在以下几方面有着特殊的用途.Bozhvolyi等人将其应用于内表面成像技术.对多层金属薄膜而言,近场区域内的光纤探针检测到的是金属膜内外表面SPW的叠加,通过与剪切力模式得到的表面形貌像综合比较,可以在一定程度上推断内表面形貌[13].应用SPR技术的近场光学显微镜也提供了一种直接研究SPW散射的手段.Smolyaninov等人将246nm的短脉冲准分子激光从光纤微探针的自由端输入,从针尖输出,输出时将聚焦产生局部高温,将平整的样品表面烧出纳米尺度的缺陷[14].使用的针尖不镀膜,一方面可以减小对SPW的干扰,另一方面便于短脉冲激光的输出.在烧出的纳米缺陷区域附近激发SPW,同时可利用NSOM成像观测SPW在缺陷附近的散射及其散射后在金属膜表面的传播性质. 此方面研究有助于提供一种控制SPW传播的方法,即在金属膜表面烧出点、线等结构,使SPW随制作出的结构改变传播方式.SPR技术还被应用于近场光刻中[15—18].其照明方式有两种:p偏振的光照射探针-样品间隙和照射样品-棱镜界面.金属探针进入光场时,p偏振光激发探针表面等离子体共振,使得金属探针的场增强效应比电介质材料的探针强. Haefliger D等人结合SPR技术利用原子力显微镜在Al膜上获得了直径为40nm的记录斑.用532nm的p偏振光照射样品-棱镜界面,通过反射率和透射率随入射角的变化曲线,获得了探针参与下的最佳入射角.4 表面等离子体Q开关受抑全内反射Q开关由两个相对的棱镜组成,快速改变两棱镜间的间隙,可以抑制全内反射,从而改变激光腔内的损耗.但是Q开关只有当两棱镜的间距为0.1个激光波长时,方能充分闭合. 而这个间距在实际应用中,较难达到,所以调制深度不高.清华大学郭继华等人用SPR 技术改进激光技术中的受抑全内反射Q开关,采用Otto型结构,用一个棱镜作反射面,另一个棱镜上镀一层高反射率金属膜[19].反射率与入射角θ、空气间隙d以及入射波长λ有关.对于波长为1064nm的红外光,其反射率最小值出现在间隙为1—2μm的范围内.例如:对于Ag膜,以44.23°入射时,在d=1.87μm处反射率取得最小值,可达10- 4量级.因此两棱镜无需靠得很近,就可以获得较高的调制深度.这一技术弥补了普通受抑全内反射Q开关不适用于短波长激光器的缺点. 而且表面等离子体Q开关更容易调节两个棱镜之间的初始距离. 郭继华等人还研究了表面等离子体Q开关在压电陶瓷驱动下的动态特性曲线,所得动态曲线与普通受抑全内反射Q开关的同类曲线相似[20].采用Otto型结构是为了防止激光直接照射到金属表面,造成激光损伤.但是如果激光谐振腔内的功率密度过大也有可能对金属膜造成损伤.因此这一技术比较适用于二极管抽运的中、小功率全固化激光器.由于只有p 偏振的光才可以激发表面等离子体,因此,与普通受抑全内反射Q开光相比,表面等离子体Q开关的谐振腔内要放置一个偏振片.5 精密角度测量SPR对入射角的敏感特性,可用于制作精密角度测量仪器.图6是郭继华等人研制的一种角度测量仪器[21,22] .棱镜放在旋转台上,通过转动旋转台调节入射角.用棱镜的直角边作为表面等离子体波的激发面,这样还可以保证在入射角变化的时候出射光与入射光始终平行.激光器发出的光经偏振片P变为线偏振光,旋转偏振片可以调节p分量和s分量的比例.入射光在棱镜- 金膜界面上发生衰减全内反射, p分量和s分量反射时既有强度变化,又有相位变化.只有p波才可以激发表面等离子体波,s波不可以激发表面等离子体波.由于共振激发表面等离子体波时的入射角大于全内反射角.所以s波反射率约为1,其相位变化在此条件下也近似是一个常数.而p波的反射率和相位特性则是入射角的函数.当选转台发生微小角度变化时,s分量与p分量相位差发生改变变化,且对角度非常敏感. 如果调节旋转台,使得s分量与p分量的相位变化的差为π/2或- /2π,则反射光经1 /4波片后,便呈线偏光,调节检偏器的透射方向,使探测光强的为零,这时的入射角即是角度测量仪器的工作点.当入射角发生微小变化时,反射光s分量与p分量相位差发生改变,经1/4波片和偏振偏后,探测器所探测到的光强随之变化,从而实现角度的精确测量.压电陶瓷受激振动,使固定于压电陶瓷管的反射镜为光路引入频率为ω的交流信号,此交流信号被锁相放大器检测,起到消除噪声实现精密测量的目的.总之本文介绍了表面等离子体共振技术并介绍了国内外表面等离子体共振技术的一些新应用.由于SPR具有显著的表面增强效应, SPR技术正在被应用到越来越广泛的领域中去,并逐渐发挥出巨大的潜力.参考文献[ 1 ] Otto A. et al. Z. Physik, 1968, 216: 398[ 2 ] Kretschmann E et al. Z. Physik, 1971, 241: 313[ 3 ] 何星月,刘之景. 物理, 2003, 32: 249 [ He X Y, Liu Z J.Wuli ( Physics) , 2003, 32: 249 ( in Chinese) ][ 4 ] Lieberg B et al. Sensors and Actuators B. 1983, (4) : 299[ 5 ] Morgan H et al. Biosensors and Bioelectronics, 1992, 7: 405[ 6 ] Kabashin A V et al. Op t. Commun. , 1998, 150: 5[ 7 ] Ho H P et al. Sensors and Actuators B, 2003, 96: 554[ 8 ] Jorguenson R C et al. Sensors and ActuatorsB, 1993, 12: 213Homola J. et al. Sensors and Actuators B, 1995, 29: 401[ 9 ] Brockman J M, Fernández S M et al. American Laboratory.2001, June: 37[10] FischerU Ch, PohlD W et al. Phys. Rev. Lett. , 1989, 62:458[11] Marti O, Bielefeldt H, HechtB et al. Op t. Commun. , 1993,96: 225[12] Bozhvolnyi S I, Smolyaninov I I, ZayatsA V et al. Phys. Rev.B, 1995, 51: 17916[13] Smolyaninov I I et al. Phys. Rev. B, 1997, 56: 1601[14] Lu Y F, Mai Z H, Qiu G et al. App l. Phys. Lett. , 1999, 75:2359[15] Huang SM, HongM H, Lu Y F et al. J. App l. 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人工表面等离子体激元
人工表面等离子体激元
人工表面等离子体激元是基于表面等离子体激元(SPP)的一种新型结构，由于其具有可控性、高增强性、低损耗性等优点，已经成为纳米光电子学领域的研究热点。
人工表面等离子体激元是通过在金属表面上制作纳米结构，以实现SPP的可控激发和调控。
这些纳米结构可以是周期性的，也可以是随机的，可以是金属纳米颗粒，也可以是纳米线等。
通过控制纳米结构的形状和尺寸，可以调控人工表面等离子体激元的光学性质，如共振波长、增强因子、耦合强度等。
人工表面等离子体激元不仅能够用于表面增强拉曼散射(SERS)、生物传感、太阳能电池、光伏器件等应用，还具有潜在的量子信息处理和量子光学应用。
- 1 -。
表面等离子激元器件
表面等离子激元器件一、引言表面等离子激元器件是一种基于表面等离子体波的光电子器件，其在光通信、光信息处理、光传感等领域具有广泛的应用前景。
随着纳米技术的快速发展，表面等离子激元器件的研究逐渐成为光电子学领域的热点之一。
本文将详细介绍表面等离子激元器件的基本原理、结构类型、制备方法以及应用领域，并分析其未来发展趋势。
二、表面等离子体波与表面等离子激元器件的基本原理表面等离子体波（Surface Plasmon Polariton，SPP）是一种在金属与介质界面处传播的电磁波模式，其电场强度在垂直于界面的方向上呈指数衰减。
SPP具有独特的色散关系和场增强效应，使得光能够在亚波长尺度上进行操控，为纳米光子学的发展提供了有力支持。
表面等离子激元器件利用SPP的特殊性质，通过金属纳米结构的设计与制备，实现对光的传播、散射、聚焦、偏振等功能的调控。
其基本原理在于，当光照射到金属纳米结构上时，会激发金属表面的自由电子产生集体振荡，形成SPP。
通过调控金属纳米结构的形状、尺寸和排列方式，可以实现对SPP传播常数、散射特性以及场分布的有效控制，从而构建出具有特定功能的表面等离子激元器件。
三、表面等离子激元器件的结构类型根据金属纳米结构的不同，表面等离子激元器件可以分为多种类型，如金属纳米颗粒、金属纳米线、金属纳米孔阵列等。
以下对这些结构类型进行简要介绍：1. 金属纳米颗粒：金属纳米颗粒是最简单的表面等离子激元器件之一，其形状可以是球形、棒状、星形等。
金属纳米颗粒的局域表面等离子体共振（Localized Surface Plasmon Resonance，LSPR）效应使得其对特定波长的光具有强烈的吸收和散射作用，可应用于光传感、生物成像等领域。
2. 金属纳米线：金属纳米线是一种具有一维结构的表面等离子激元器件，其直径通常在几十到几百纳米之间。
金属纳米线支持SPP的传播，可以作为纳米波导、纳米天线等器件的基本单元。
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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。
（2）严格耦合波法(rigorous coupled—wave analysis，RCWA)：该方法是分析
光栅的有利工具，它是基于严格的矢量maxwell方程来分析。
由于在很多的表面
等离子的结构中都会引入衍射光栅结构，所以RCWA 方法也被越来越多的学者用
来分析相关的问题，并且取得了不错的效果。
（3）限元法(finite element method,FEM)：该方法是从变分原理出发，将定义
域进行有限分割，离散成有限个单元集合。
通过区域剖分和分偏差值，把二次泛
函的极值问题化为普通多元二次函数的极值问题，后者等价于一组多元线性代数
方程的求解。
该方法分析的是一种近似结果，不过很多的问题能近似模拟，目前
应用也比较广泛。
三．SPPs的若干应用
1. SPPs波导
SPPs波导是实现纳米光子回路的基础，在此基础上人们可以进一步研制集成
于金属表面的各种SPPs器件，从而构筑等离子体光子芯片。
在这方面，武汉大
学汪国平教授领导的研究小组的研究成果较为突出，并著有相关著作。
在表面等
离子带隙结构中引入线缺陷即可引导SPPs的传播，通过设计缺陷的形状可以实
现SPPs的直线波导、弯曲波导以及分束波导等。
.
2SPPs耦合器
等离子体光子芯片具有输出输入端口，这些端口通
过SPPs耦合器，可以避
免将远场光直接耦合到SPPs芯片中的纳米光电子器件上。
一个优选的方案是将
半球形状的金属纳米颗粒与基于纳米点的SPPs波导整合一起。
当聚焦的SPPs
馈送进耦合器中，传播距离可达 4.0m。
纳米点也能够用于聚焦SPPs，形成高
近场强度和亚波长宽度的光斑。
3.SPPs新型光源
SPPs引发的电磁场，不仅能够限制光波在亚波长尺寸结构中的传播，而且
能够产生和操控从光频到微波波段的电磁辐射。
在有源光学材料附近附着金属结
构，在金属结构表面诱导产生SPPs，使得有源光学材料周同的光子态密度发生
显著变化，从而改变有源光学材料的自发辐射寿命，减弱非辐射过程对于其发光
过程的影响，进而提高发光效率。
利用SPPs能够改善激光器的性能。
例如，在
SEMS型硅基激光器中引入表面刻有光栅结构的金薄膜结构，选择特定的铒离子
极化方向，受到外部光激发的铒离子能够有效诱导产生表面等离子体激元，研究
结果表明：多层掺铒硅单层的平均自发辐射寿命缩短了，相应的SEMS型硅基激
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光器在 1.54mm波长处的增益系数提高了24%(原增益系数为30cm)。
4. SPPs纳米光刻技术
2005年，美国加州大学伯克利分校的Zhang等利用基于表面等离子体原理进
行纳米光刻的实验旧，在365 nm波长照明光作用下实现了超衍射分辨力光刻，
对单线条的分辨力达到40 nm，对光栅线条的分辨力可达60 nm。
在该光刻实验
结构中，掩模版、间隔层、薄Ag板和光刻胶做成一个整体，薄Ag板通过电子束
蒸发淀积而成，间隔层则是通过多次刻蚀达到要求的厚度，这一实验的报道，极
大地推动了SPPs在光刻技术中应用的研究。
5. SPR传感器
利用表面等离子体共振现象研制光化学传感器已引起人们的极大兴趣，正成
为传感器领域的研究前沿。
光纤SPR传感器在传感机理上主要有两类：一是利用
倏逝场效应，通过腐蚀或研磨掉包层后在纤芯表面镀金属膜，或在锥形光纤表面
镀金属膜；二是在纤芯内写入长周期光栅，将芯内的模式在某一特定波长转化成
包层高阶模，使高阶模与等离子体实现相位匹配。
表面等离子体共振技术以其高
灵敏度和快速的无标记检测的优点，根据其原理研制的表面等离子体传感器，在
检测、分析生物分子间的相互作用等方面有广泛的应用前景。
目前，表面等离子
体共振技术已经运用在免疫检测、药物代谢及蛋白质动力学等生命科学研究中。