第9讲-金属光学及体积等离子体激元
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温度 (度)
根据带电粒子的温度和密度对等离子体分类
星云
日冕
太阳风 霓虹灯
星际空间 荧光
磁约束 聚变
氢弹
惯性聚变
太阳核心 闪电
气体 液体 固体
北极光
火焰
人类居住环境
68Leabharlann Baidu
密度(cm ) aurora: 极光，nebula: 星云，fluorescent light: 荧光，inert-i3al confinement fusion: 惯性约束核聚变
P -Ner
Ne2 /m
2+i
E
有什么问题吗???
N – 电子密度
16
polarization vector: 极化矢量
8
2014/1/15
让我们考虑一下极化过程:
P Eext
+−
−
P Eext
+
哪种情况正确?
然而,
P
-Ner
Ne2 /m
2+i
E
问题:E 与 P 相位相差π(退极化场)
2014/1/15
普通气体
等离子体
放电
放电是使气体转变成等离子体的一种常见形式 等离子体 电离气体
需要有足够电离度的电离气体才具有等离子体性质。 “电性”比“中性”更重要 ( 电离度 >10-4 )
5
宇宙中的等离子体
•等离子体:物质的第4种状态
• 不同于普通的中性气体:
与电磁场产生强的相互作用
宇宙中99%的物质 是等离子体态的
18
plasma frequency: 等离子体频率
9
2014/1/15
通常情况:
高频 (ω>> γ):
① 对于高频 ω >ωp: ε >0
折射率 n n'in" 为实数 (n' > 0, n'' = 0)
金属中的电场:EE0 exp(in'k0 r) 金属是透明的 (像电介质)
air metal
19
refractive index: 折射率，transparent: 透明的，dielectric: 电介质
通常情况:
高频 (ω>> γ):
② 对光频 γ << ω < ωp: ε <0 折射率 n n′ in″ 是复数 (n' ≈ 0, n'' > 0)
2014/1/15
11
空间天体等离子体
我们的太 阳
12
6
空间天体等离子体
星系：巨大的聚变反应堆
2014/1/15
13
金属中的等离子体
固体、液体、气体通常温度过低，密度过大，导致没有等离子体存在
我们在室温下能得到等离子体吗？
让我们想想金属性质:
自由电子+离子
等离子体?
Yes 三种等离子体共振形式:
热等离子体气体生成的日冕
6
neutral: 电中性的，solar corona: 日冕
3
2014/1/15
等离子体和普通气体性质不同
普通气体: 由分子构成，分子之间相互作用力是短程力，仅当分子碰撞时，分
子之间的相互作用力才有明显效果． 等离子体: 带电粒子之间的库仑力是长程力，库仑力的作用效果远远超过带电
研究生课程
纳米光学 (Nano-Optics)
第9讲: 金属光学和体积等离子体激元
董国艳 中国科学院大学 材料科学与光电技术学院
2014/1/15
• 等离子体 – 金属纳米结构光学 从本讲开始，我们将用5讲来介绍等离子体
• 课本: S. Maier, Plasmonics: Fundamentals and Applications
• 体积等离子体激元
• 表面等离子体激元 • 局域表面等离子体激元
电解质溶液：正、负离子→液态等离子体 半导体：电子和空穴→固态等离子体 都由自由运动的带电粒子组成，且整体呈电中性
14
ion: 离子，surface plasmon polariton: 表面等离激元，localized surface plasmons: 局域表面等离子体
bound electron free electron
• 固体
• 液体
• 气体
电离
• 等离子体 – 具有自由
电荷的热电离气体
00C
温度
1000C
100000C
2014/1/15
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ionization: 电离化，bound electron: 束缚电子，free electron: 自由电子
2
电离气体是一种常见的等离子体
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2014/1/15
2. 金属光学
•金属的响应是由自由电子的行为决定的 • 在外场E作用下，自由电子可以被看做没有回复力的谐振子
正离子实
Drude 模型
mγv -eE
15
作用在电子上的力:
• 电场力-eE
• 阻尼力mγv
r
(γ – 阻尼频率或阻尼系数)
damping: 阻尼，ion: 离子，Drude model: 杜德模型
为什么?
17
可以导出介电常数:
P
-Ner
Ne2 /m
2+i
E
电位移=真空电位移+极化矢量
D ε0EP ε0εE
()=1-
2 p
2 i
p
=
Ne2 0m
(等离子体频率)
在光频 ω>> γ, ε(ω) 可以被简化为
1
2 p
2
让我们讨论一下不同ω 时的 ε …
粒子可能发生的局部短程碰撞效果； 等离子体中的带电粒子运动时，能引起正电荷或负电荷局部集中，
产生电场；电荷定向运动引起电流，产生磁场； 电场和磁场会影响其他带电粒子的运动，并伴随着极强的热辐射和
热传导； 等离子体在运动过程中一般都表现出明显的集体行为．
等离子体的这些特性使它区别于普通气体被称为物质的第四态．
2
1
本讲内容
1. 什么是等离子体?
− 宇宙中的等离子体 − 金属中的等离子体
2. 金属光学
− Drude 模型 − 等离子体频率对应的介电常数ε
3. 体积等离子体激元
− 体积等离子体激元的物理本质 − 体积等离子体激元的性质 − 纳米光学中体积等离子体激元的应用
3
1. 什么是等离子体?
物质的状态:
自由电子的运动方程:
mr mrKr eE
m – 电子质量 γ – 阻尼频率 (~100 THz)
也可以像 Lorentz 模型一样求解
对时间谐振 E(t) E0 exp(it), 有时间谐振解 r(t) r0 exp(it) ,
代入上式，解为:
r
e/m
2i
E
则可以得到宏观极化矢量:
4
空间天体等离子体
什么保护了我们地球：等离子体
2014/1/15
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地球磁场形如漏斗，尖端 对着地球的南北两个磁极，因 此太阳发出的高能带电粒子流 沿着地磁场这个"漏斗"沉降， 进入地球的两极地区。
两极的高层大气，受到高能 粒子流(太阳风)的轰击后会发出 光芒，形成极光。
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空间天体等离子体
北极光
温度 (度)
根据带电粒子的温度和密度对等离子体分类
星云
日冕
太阳风 霓虹灯
星际空间 荧光
磁约束 聚变
氢弹
惯性聚变
太阳核心 闪电
气体 液体 固体
北极光
火焰
人类居住环境
68Leabharlann Baidu
密度(cm ) aurora: 极光，nebula: 星云，fluorescent light: 荧光，inert-i3al confinement fusion: 惯性约束核聚变
P -Ner
Ne2 /m
2+i
E
有什么问题吗???
N – 电子密度
16
polarization vector: 极化矢量
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2014/1/15
让我们考虑一下极化过程:
P Eext
+−
−
P Eext
+
哪种情况正确?
然而,
P
-Ner
Ne2 /m
2+i
E
问题:E 与 P 相位相差π(退极化场)
2014/1/15
普通气体
等离子体
放电
放电是使气体转变成等离子体的一种常见形式 等离子体 电离气体
需要有足够电离度的电离气体才具有等离子体性质。 “电性”比“中性”更重要 ( 电离度 >10-4 )
5
宇宙中的等离子体
•等离子体:物质的第4种状态
• 不同于普通的中性气体:
与电磁场产生强的相互作用
宇宙中99%的物质 是等离子体态的
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plasma frequency: 等离子体频率
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2014/1/15
通常情况:
高频 (ω>> γ):
① 对于高频 ω >ωp: ε >0
折射率 n n'in" 为实数 (n' > 0, n'' = 0)
金属中的电场:EE0 exp(in'k0 r) 金属是透明的 (像电介质)
air metal
19
refractive index: 折射率，transparent: 透明的，dielectric: 电介质
通常情况:
高频 (ω>> γ):
② 对光频 γ << ω < ωp: ε <0 折射率 n n′ in″ 是复数 (n' ≈ 0, n'' > 0)
2014/1/15
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空间天体等离子体
我们的太 阳
12
6
空间天体等离子体
星系：巨大的聚变反应堆
2014/1/15
13
金属中的等离子体
固体、液体、气体通常温度过低，密度过大，导致没有等离子体存在
我们在室温下能得到等离子体吗？
让我们想想金属性质:
自由电子+离子
等离子体?
Yes 三种等离子体共振形式:
热等离子体气体生成的日冕
6
neutral: 电中性的，solar corona: 日冕
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2014/1/15
等离子体和普通气体性质不同
普通气体: 由分子构成，分子之间相互作用力是短程力，仅当分子碰撞时，分
子之间的相互作用力才有明显效果． 等离子体: 带电粒子之间的库仑力是长程力，库仑力的作用效果远远超过带电
研究生课程
纳米光学 (Nano-Optics)
第9讲: 金属光学和体积等离子体激元
董国艳 中国科学院大学 材料科学与光电技术学院
2014/1/15
• 等离子体 – 金属纳米结构光学 从本讲开始，我们将用5讲来介绍等离子体
• 课本: S. Maier, Plasmonics: Fundamentals and Applications
• 体积等离子体激元
• 表面等离子体激元 • 局域表面等离子体激元
电解质溶液：正、负离子→液态等离子体 半导体：电子和空穴→固态等离子体 都由自由运动的带电粒子组成，且整体呈电中性
14
ion: 离子，surface plasmon polariton: 表面等离激元，localized surface plasmons: 局域表面等离子体
bound electron free electron
• 固体
• 液体
• 气体
电离
• 等离子体 – 具有自由
电荷的热电离气体
00C
温度
1000C
100000C
2014/1/15
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ionization: 电离化，bound electron: 束缚电子，free electron: 自由电子
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电离气体是一种常见的等离子体
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2014/1/15
2. 金属光学
•金属的响应是由自由电子的行为决定的 • 在外场E作用下，自由电子可以被看做没有回复力的谐振子
正离子实
Drude 模型
mγv -eE
15
作用在电子上的力:
• 电场力-eE
• 阻尼力mγv
r
(γ – 阻尼频率或阻尼系数)
damping: 阻尼，ion: 离子，Drude model: 杜德模型
为什么?
17
可以导出介电常数:
P
-Ner
Ne2 /m
2+i
E
电位移=真空电位移+极化矢量
D ε0EP ε0εE
()=1-
2 p
2 i
p
=
Ne2 0m
(等离子体频率)
在光频 ω>> γ, ε(ω) 可以被简化为
1
2 p
2
让我们讨论一下不同ω 时的 ε …
粒子可能发生的局部短程碰撞效果； 等离子体中的带电粒子运动时，能引起正电荷或负电荷局部集中，
产生电场；电荷定向运动引起电流，产生磁场； 电场和磁场会影响其他带电粒子的运动，并伴随着极强的热辐射和
热传导； 等离子体在运动过程中一般都表现出明显的集体行为．
等离子体的这些特性使它区别于普通气体被称为物质的第四态．
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本讲内容
1. 什么是等离子体?
− 宇宙中的等离子体 − 金属中的等离子体
2. 金属光学
− Drude 模型 − 等离子体频率对应的介电常数ε
3. 体积等离子体激元
− 体积等离子体激元的物理本质 − 体积等离子体激元的性质 − 纳米光学中体积等离子体激元的应用
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1. 什么是等离子体?
物质的状态:
自由电子的运动方程:
mr mrKr eE
m – 电子质量 γ – 阻尼频率 (~100 THz)
也可以像 Lorentz 模型一样求解
对时间谐振 E(t) E0 exp(it), 有时间谐振解 r(t) r0 exp(it) ,
代入上式，解为:
r
e/m
2i
E
则可以得到宏观极化矢量:
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空间天体等离子体
什么保护了我们地球：等离子体
2014/1/15
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地球磁场形如漏斗，尖端 对着地球的南北两个磁极，因 此太阳发出的高能带电粒子流 沿着地磁场这个"漏斗"沉降， 进入地球的两极地区。
两极的高层大气，受到高能 粒子流(太阳风)的轰击后会发出 光芒，形成极光。
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空间天体等离子体
北极光