表面等离激元
光学中的表面等离激元方程
光学中的表面等离激元方程在物理学中，表面等离激元(surface plasmon)是指金属表面上被激发出来的电磁波，它们与电子和光子之间的相互作用导致了一系列神奇的物理现象，如透射光谱、增强荧光、表面增强拉曼散射(SERS)等等。
这些现象在科学研究和实际应用中具有重要的意义，因此表面等离激元的研究成为了热点领域之一。
在光学中，表面等离激元可以通过麦克斯韦方程组的求解得到，其中最基本的方程即是麦克斯韦方程的波动方程(wave equation)。
这个方程描述了电磁波的传播过程，并且可以用来计算表面等离激元的频率和波矢。
然而，在金属表面的情况下，电磁波的传播行为并不像在空气或真空中那样简单。
这是因为金属表面存在自由电子，它们可以吸收入射光子的能量并发生共振激发，从而形成表面等离激元。
这种自由电子的行为需要用到泊松方程(poisson equation)和电流连续性方程(current continuity equation)来描述。
泊松方程描述了金属内部的电势分布，其形式为：∇²Φ = -ρ/ε其中，Φ表示电势，ε表示介电常数，ρ表示电荷密度。
这个方程描述了自由电子的电荷分布对金属内部电势的影响。
电流连续性方程描述了自由电子的运动行为，其形式为：∇·J + ∂ρ/∂t=0其中，J表示电流密度。
这个方程描述了自由电子在金属内部的流动行为，以及它们的电荷密度随时间的变化。
利用波动方程、泊松方程和电流连续性方程，可以得到关于表面等离激元频率(ω)和波矢(k)的方程，称为等离子体色散方程(plasma dispersion equation)：ω² = ωp² + c²k²/ε(m)其中，ωp表示等离子体频率，它与自由电子的振荡频率有关，c表示光在介质中的传播速度，ε(m)表示介质的相对介电常数。
这个方程描述了表面等离激元的频率与波矢之间的关系。
当光传播到金属表面时，如果满足这个方程的条件，就可以激发出表面等离激元。
表面等离激元技术的研究及其应用
表面等离激元技术的研究及其应用表面等离激元（Surface plasmon）是一种在金属表面上发生的电磁波传播形式。
它是由金属中的自由电子通过共振相互作用而引起的。
在表面等离激元现象中，电磁波通过金属表面上的自由电子运动来传播，形成一种局域电磁波场。
近年来，表面等离激元技术被广泛应用于生物化学、物理学、光电学等领域中，发展迅速。
本篇文章将探讨表面等离激元技术的研究及其应用。
一、表面等离激元的研究表面等离激元的研究起源于19世纪末，当时研究人员注意到金属颗粒表面上的电场强度比体内电场强度大得多。
20世纪初，通过对金属的光电子研究，研究人员发现表面等离激元相当于金属表面上的局域振荡，这种振荡引发了电磁波的共振。
随着科学技术的发展，表面等离激元的研究也得到了进一步的深入。
20世纪中叶，科学家们开始在新材料、新技术、新装置等方面进行实验研究，以提高表面等离激元的性能和应用。
二、表面等离激元技术在生物化学中的应用1.表面等离激元技术在蛋白质分析中的应用表面等离激元技术可用于生物大分子的检测和分析。
例如在蛋白质研究中，可以将蛋白质样品吸附在金属表面上，然后通过表面等离激元的共振效应来测量蛋白质的折射率和吸收性。
2.表面等离激元技术在细胞成像中的应用通过表面等离激元技术，可以直接观察和检测生物细胞内的化学成分。
利用表面等离激元的高分辨率，可以对微生物和癌细胞的细胞膜进行成像，检测其组成和生理功能。
三、表面等离激元技术在物理学中的应用1.表面等离激元技术在太阳能电池中的应用太阳能电池的最大问题是其转换效率限制。
利用表面等离激元技术，可以设计出具有更高转换效率的太阳能电池。
在新型太阳能电池的研究中，利用表面等离激元的特性来提高太阳能电池的光吸收效率，从而提高电能产生能力。
2.表面等离激元技术在传感器中的应用表面等离激元技术在传感器中被广泛应用。
传感器通常用于溶解性分析、光谱学分析、气体检测、生物标记物检测和环保监测等，表面等离激元技术能够提供高分辨率和灵敏度，从而提高传感器的性能。
表面等离激元
“表面等离激元”是一种光学现象，它发生在反射界面上，表明光线可以在反射界面上维持相对平衡的态势。
表面等离激元这一物理现象是由法国物理学家埃里克·斯托克尔于1817年发现的。
他在研究光线在反射界面上的行为时发现，光线在反射界面上可以形成一个等离激元，即反射界面上的一个小小区域，其中光线不会穿过反射界面，而是在反射界面上穿行，使得光线在反射界面上维持相对平衡的态势。
此外，表面等离激元还可以用于诊断表面的状态。
它可以用来检测表面的摩擦系数、弹性系数以及表面的疏水性。
它还可以在几种材料之间的界面上进行检测，以确定这些界面的性质。
另外，表面等离激元也可以用于建设光学滤波器，例如分离颜色光谱的滤波器，以及用于分离多种类型的光谱。
表面等离激元也可以用于生物和化学分析，以及分离光纤中的信号。
总之，表面等离激元是一种重要的物理现象，可以用于诊断表面状态、构建光学滤波器和用于生物和化学分析等多种用途。
表面等离激元共振
表面等离激元共振
表面等离激元是物理学中的一种重要的现象。
它涉及到可见光、微波和亚电子能量谱等多
种物理过程，是多个科学学科的基础。
其原理是当外界空间电场强度为E时，固体解决空
间电场中分布式电荷，并创造出两个来自表面的浮动力。
因此，表面等离激元发出的能量，强度可以超过来自表面的电荷力的能量，从而形成表面等离激元共振。
表面等离激元是一种物理共振，其特点是使金属表面的电子能量能空间的电荷分布的变化，从而产生一种强大的可见光和微波作用，具有强大的光学性质，并可能使表面产生特殊的
力学性质。
它是金属表面反射、吸收特定光谱上的电磁波及半导体表面吸收特定光谱该过
程的基础。
表面等离激元非常之小，半径仅为0.1到0.4nm，它不仅小而且具有高自身稳
定能，能够在空间和表面电场发生强烈变化时维持其强度和稳定。
表面等离激元的最重要的应用之一是用作微纳加工装备的光源。
此外，在纳米技术的发展中，表面等离激元的应用也可更加深入。
例如，可以用它来制造可控的光子结构，这将有
助于研究光子的传输，并为设计高效的光子晶体和超细光纤提供基础。
此外，表面等离激元还可以应用于生物学、化学和药物学等领域。
首先，可以利用表面等
离激元“指纹”形成光学显微镜，可以精确观察微观尺度的生物学反应。
同时，由于表面
等离激元可以充当光子的靶位，所以它可以被用来研究光激发的化学反应和可靠的疗法，
从而更好地控制材料的表面性质，以此来改善医疗设备上的生物毒性。
总之，表面等离激元是一种重要的现象，可以深入到多个科学领域，为各种物理现象提供
基础，并形成重要的应用。
（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,。
第五课：表面等离激元
Hiy
将上两式代入麦克斯韦方程，可得：
其中：
（qi为x方向的波矢）
由边界条件： H1y H2y E1x E2x
上述方程组有解的条件为： 由束缚解的条件可得： i 0 由表面处的连续性条件可得：
12 0
要求：1 2
表面等离激元存在的条件（色散关系）
For q, ωis given by the solution of 1 2 0
Surface Plasmon的微观理论描述
n+
n0
ε (ω )
d//
ε (ω )=1
z
B
0
d⊥ V
(V z B)
Di
(z,ຫໍສະໝຸດ q,)
()Ei (z, q,), Ei (z, q,),(z
(z B), V ).
对任意z:
方法：将 z=B 代入以上两式，得到表面两边的连接方程，再联立求解。 困难： 两个未知积分的存在！ 出路： 近似求解（Q<<1），在所有关于Q的表达式中精确到Q的一次项。 关键： Dx 和 Ez （仅仅需要其在Q=0 的情况下的表达式）。
表面等离激元的微观描述 表面等离激元的杂化理论 表面等离激元的激发和探测
电子激发 光子激发
等离激元：起源于电子间的长程库伦相互作用
ee- -
ee--
微观尺度上电子密度的起伏：电子气体相对于正离子背景的集体振荡 !
纳米颗粒中的电子气的集体振荡
类比例子：容器中水波的振荡
等离激元的经典描述
n (E2 E1) 0
z≠0
代入
z=0
0,(z 0) (z) 1,(z 0)
表面等离激元
表面等离激元介绍定义及原理：当光波（电磁波）入射到金属与介质分界面时，金属表面的自由电子发生集体振荡，电磁波与金属表面自由电子耦合而形成的一种沿着金属表面传播的近场电磁波，如果电子的振荡频率与入射光波的频率一致就会产生共振，在共振状态下电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能，这时就形成的一种特殊的电磁模式：电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强，这种现象就被称为表面等离激元现象。
性质：表面等离激元是外界光场与金属中自由电子相互作用的电磁模，在这种相互作用下外界光场被集体振荡的电子俘获，构成了具有独特性质的SPPs 。
在平坦的金属/介质界面，SPPs 沿着表面传播，由于金属中欧姆热效应，它们将逐渐耗尽能量，只能传播到有限的距离，大约是纳米或微米数量级。
只有当结构尺寸可以与SPPs 传播距离相比拟时，SPPs 特性和效应才会显露出来。
随着工艺技术的不断进步，现今已经可以制作特征尺寸为微米和纳米级的电子元件和回路，在这个领域的研究也迅速开展起来。
表面等离激元主要具有如下的的基本性质:1. 在垂直于界面的方向场强呈指数衰减;2. 能够突破衍射极限;3. 具有很强的局域场增强效应;4. 只能发生在介电参数(实部)符号相反(即金属和介质)的界面两侧。
表面等离激元的激发：由于表面等离激元在界面附近的电场方向与界面垂直，要激发表面等离激元，光波必须具有与界面垂直的电场分量。
此外，在激发表面等离激元的过程中，还需要满足波矢匹配条件。
相同频率下，金属与介质界面的表面等离激元与光波的波矢关系可以表示为：2/121210)(εεεε+=k k spp ，其中spp k 是表面等离激元波矢，0k 是光波波矢。
一般来说，对于介质01>ε；而对于金属，212;0εεε<<且。
相同频率时，表面等离激元的波矢大于光波波矢，所以用平面光波无法直接激发出表面等离激元。
要想实现光激发，就必须通过特殊方法来补偿光波损失，使波矢匹配条件成立。
表面等离激元共振原理
表面等离激元共振原理
表面等离激元共振是一种在表面等离激元中发生共振现象的物理现象。
表面等离激元是一种在金属和介质界面上产生的电磁波模式，它是金属中的自由电子与光子之间的耦合模式。
表面等离激元共振原理可以通过以下步骤进行解释：
1. 当电磁波入射到金属-介质界面时，部分能量会被金属吸收，而另一部分能量会被反射。
2. 当入射角度和波长满足一定的条件时，进入金属表面的光子能够与自由电子耦合形成表面等离激元。
这些电子和光子之间的耦合形成了新的电磁波模式，即表面等离激元。
3. 表面等离激元的形成导致了共振现象，即当入射角度和波长符合表面等离激元的共振条件时，能量将得到最大的能量传递。
4. 共振产生的电磁波能够在金属表面上传播，形成波浪或驻波模式，具有较高的局部电场强度。
表面等离激元共振具有很多重要的应用，包括传感器、光学器件、太阳能电池等领域。
通过调控和利用表面等离激元共振现象，可以实现更高效的能量传输、灵敏的传感器探测以及更高分辨率的成像等。
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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,。
(2)球状金属的SP 介电常数可由以下公式给出:
式中为金属周围环境的介电常数。
从公式可以得到无限多的模式，在
时得到最低阶介电模式。
由于光子通过这些介电模式藕合进入SP ，
然后出现一个衰减的过程，所以这些模式都具有辐射的特征。
(3)利用Drude 模型可以得到块状金属中的相对电容率表达式：
式中，其中为金属内电子的平均自由程，
为电子的Fermi (费密〔长度单位，等于10-13厘米〕)速度，为金属电阻率．的数量级为，的数量级为，故的量级为．由于的量级为，远远小于，故当趋近于时，可以忽略不计，所以考虑等离体子振荡问题时，可忽略相对电容率的虚部，得到金属中相对电容率的经典表达式：
二维周期性结构排列，当入射光垂直照射时，其共振波长用
112222max ()()m d s m
d a i j εελεε-=++来表示，其中a 是晶格常数，i j 和是整数，m ε是金属的介电常数，d ε是和金属接触的介质的介电常数。
4.其它一些相关知识点
由以上公式可画出理想金属的表面等离激元色散曲线，如图1.2所示
因此，由上可知SP不能直接用光来激发。
我们可以利用快速电子来激发波
矢较大的SP，但它无法激发波矢较小的SP。
我们可以借助一些特殊的结构装置，可以利用光来激发SP下图就是其中一种装置。
表面结构衍射激发
(1)如果金属表面非常粗糙(粗糙度)，SP会受到强烈的散射，其波形
将偏离扩散波的形状，不能以波的形式沿界面传播，而是被局域在金属表面，我
们把此时的SP称之为局域表面等离激元。
并且当光频率的入射光照
射到粗糙表面时，光就可以通过粗糙表面藕合进入SP。
(2)金属颗粒对光的散射截面和吸收截面由以下公式给出:
，其中
是颗粒的机化率。
是颗粒的体积，和。
，分别是颗粒和周围介质的介电函数。
当
时，颗粒机化率将会变得很大，此时便呈现表面等离激元共振的特性。
并且在发生表面等离激元共振时，散射截面会远远超过颗粒的几何截面。
同时，由公式可以看出，颗粒的散射截面与体积的平方成正比，而吸收截面与体积成线性关系。
由此可见，大尺寸的金属颗粒对光的散射更强。
但在随着颗粒的增大，颗粒的机化出现不均匀性，其表面等离激元辐射衰减增加，颗粒的表面等离激元共振频率将出现四偶极子等高阶等离激元模式，这会导致表面等离激元共振峰发生红移。
(3)均匀介质中的纳米金属球
如图3所示，介质相对电容率为；金属球相对电容率为，半径为．对于球状的金属微粒，不再存在光波与等离体子振荡的波矢失配问题，利用频率可调的光波照射纳米金属球，可以观察到等离体子对入射光波的吸收．这是因为入射光波将纳米金属球极化，在金属球内激发了表面等离体子振荡．
当入射光波在可见光波段时，光波波长远大于纳米金属球直径，所以可以利用准静电近似求解金属球内外的电场分布．在准静电近似下，选择极轴方向为外场方向，使的解与无
关，则拉普拉斯方程的解可写为
在介质中有
与通解比较，并利用边界条件可以得到：
计算得到球内外电场分布：
球内的场强与入射场强之比称为表面局域场增强因子．当
时，球内场强增至极大，产生共振，可得
由此可得纳米金属球的等离体子振荡频率为
具有此频率的入射光波将激发金属球表面等离体子振荡．
(4)制备等离激元结构的常用金属材料包括:铝、银、金和铜等。
铝和银是两种自由电子密度极高的金属材料，其等离激元共振峰可以达到极紫外波段。
金和铜的自由电子密度则要弱于前两者，创门的表面等离激元共振峰一般在可见光波段。
这几种材料中，银具有最低的损耗，最小的吸收系数的优异性能，是研究表面等离激元的理想材料。
另外，对于同一种金属颗粒，可以通过改变颗粒周围的介电材料来调节其表面等离激元共振峰的位置，高折射率的介电材料可以得到更大波长的共振峰位置。