等离子体物理
等离子体物理基础
等离子体物理基础等离子体是一种以等离子体态的物质状态，它是由气体或固体在高温、高压或强辐照等条件下失去或获得电子而形成的，具有正离子和自由电子的等离子体。
等离子体物理研究的是等离子体的性质、行为和应用，并在诸多领域中有着广泛的应用。
一、等离子体形成的条件和特点1. 形成条件：等离子体形成有多种条件，如高温、高压和强电磁场等。
在高温条件下，物质分子能够克服束缚力，失去电子，形成带正电荷的离子和自由电子。
高压也能够促进电子的跃迁，使物质形成等离子体。
此外，强电磁场的作用也能够使等离子体形成。
2. 特点：等离子体具有电中性，但整体呈带电状态。
等离子体中自由电子的存在使得它具有导电性和磁场感应性。
另外，等离子体还具有高可压缩性和高扩散性，能够通过电场和磁场受力。
二、等离子体的分类根据温度和密度的不同，等离子体可以分为等离子普通态、等离子凝聚态和等离子极端态。
1. 等离子普通态：等离子普通态是指在常规条件下形成的等离子体。
它常见于自然界中的闪电和恒星等高温物质，以及工业和科研实验室中的等离子体设备，如等离子切割和等离子喷涂。
2. 等离子凝聚态：等离子凝聚态是指在较低温度和高密度条件下形成的等离子体。
其中包括电子气、等离子流体和凝聚态等离子体。
等离子凝聚态在材料科学、凝聚态物理和聚变能等领域有着广泛的应用。
3. 等离子极端态：等离子极端态是指在极端条件下形成的等离子体，如在极低温度、极高压力或强磁场条件下形成的等离子体。
这些条件下的等离子体在科学研究和天体物理学中具有重要作用。
三、等离子体物理的研究领域等离子体物理作为一门综合性的学科，涉及到许多领域和应用，如天体物理学、磁约束聚变、等离子体加热和等离子体诊断等。
以下是部分研究领域的介绍：1. 天体物理学：天体物理学研究宇宙中的等离子体，如恒星、星际等离子体，以及与宇宙射线和宇宙成分的相互作用。
这一领域的研究对于理解宇宙的起源和演化过程有着重要意义。
2. 磁约束聚变：磁约束聚变是一种利用等离子体自身的磁场来达到高温和高密度条件的核聚变技术。
等离子体物理学
植等离子体物理学
等离子体物理学是研究等离子体性质的物理学分支。
等离子体是物质的第四态，是由电子、离子等带电粒子及中性粒子组成的混合气体，宏观上表现出准中性，即正负离子的数目基本相等，整体上呈现电中性，但在小尺度上具有明显的电磁性质。
等离子体还具有明显的集体效应，带电粒子之间的相互作用是长程库仑作用，单个带电粒子的运动状态受到其它许多带电粒子的影响，又可以产生电磁场，影响其它粒子的运动。
等离子体物理学目的是研究发生在等离子体中的一些基本过程，包括等离子体的运动、等离子体中的波动现象、等离子体的平衡和稳定性、碰撞与输运过程等等。
等离子体物理学具有广阔的应用前景，包括受控核聚变、空间等离子体、等离子体天体物理、低温等离子体等等。
等离子体物理学常用的有单粒子轨道理论、磁流体力学、动理学理论三种研究方法。
单粒子轨道理论不考虑带电粒子对电磁场的作用以及粒子之间的相互作用。
磁流体力学将等离子体作为导电流体处理，使用流体力学和麦克斯韦方程组描述。
这种方法只关注流体元的平均效果，因此是一种近似方法。
动理学理论使用统计物理学的方法，考虑粒子的速度分布函数。
等离子体物理
等离子体物理等离子体是一种由离子和自由电子组成的第四种物质状态，除了固态、液态和气态之外。
等离子体在自然界中广泛存在，例如太阳、闪电和星际空间中的恒星等。
它们具有独特的物理特性，对研究者来说既神秘又吸引人。
本文将探讨等离子体的物理特性、应用领域和研究现状。
等离子体的物理特性1. 等离子体的定义等离子体是一种由离子和自由电子组成的气体，通常在较高的能量状态下。
在等离子体中，电子可以从原子中脱离，形成带正电的离子，同时产生自由电子。
这种离子化过程需要提供足够的能量，通常通过高温或高能量辐射来实现。
2. 等离子体的性质•导电性: 由于含有自由电子，等离子体具有极好的导电性，是研究等离子体物理的重要特性之一。
•辐射性: 等离子体能够发射出特定频率的辐射，这种辐射被广泛应用于激光、等离子体屏等领域。
•热力学性质: 等离子体在温度较高时伴随着明显的热力学效应，这对等离子体的研究和应用提出了挑战。
等离子体的应用领域1. 核聚变能源等离子体在核聚变反应堆中起着至关重要的作用。
通过在高温高能条件下将氢等离子体制成等离子体，实现核聚变反应，释放出大量能量。
核聚变反应被认为是未来清洁能源的重要选择。
2. 等离子体显示技术在等离子体显示技术中，等离子体被用作显示面板中的光源。
激发气体等离子体会发出明亮的光，常用于电视和广告牌等领域。
3. 医疗应用等离子体在医学领域也有广泛应用，例如等离子刀技术。
医生利用由等离子体产生的高能电子切割组织，用于手术和治疗癌症等疾病。
等离子体物理的研究现状目前，等离子体物理领域的研究涵盖了从基础理论到应用技术的广泛范围。
研究者们通过实验和数值模拟等手段，不断深入探索等离子体的性质和行为，以期在能源、材料科学和医学等领域取得重要突破。
结语等离子体作为第四种物质状态，具有丰富的物理特性和广泛的应用前景。
通过不懈的研究与探索，等离子体物理将为人类社会带来更多创新与进步。
希望本文能够为读者提供一些关于等离子体的基础知识，并引发更多对等离子体物理的兴趣与思考。
等离子体物理
等离子体物理等离子体是一种独特而神奇的物质状态。
它由高温或高能量下的气体中的带电粒子组成，这些带电粒子失去了电子，形成了电离态。
在这个状态下，等离子体展现出了许多与普通气体不同的性质和行为。
等离子体物理是研究这种特殊状态下物理现象和过程的学科，它在众多领域中发挥着重要的作用。
一、等离子体的形成等离子体可以通过多种方式形成。
其中一种是通过高温来激发气体中的原子和分子，使其失去部分或全部电子。
这种过程被称为热电离，常见于高温等离子体中，如太阳表面等。
另一种形成等离子体的方式是通过电场或激光等外部能量的作用，使气体电离。
这种方式称为非热电离，常见于等离子体在实验室中的产生。
二、等离子体的性质一旦形成，等离子体具有多种特殊的性质。
首先，等离子体是导电的。
由于其中带电粒子的存在，等离子体可以传导电流。
这种导电性使得等离子体在航空航天、聚变能源等领域产生了广泛的应用。
其次，等离子体具有自洽性。
带电粒子在外部电场的作用下会发生运动和加速，进而改变电场分布。
这种相互作用形成了一种自洽的状态，被称为等离子体振荡。
由于自洽性的存在，等离子体可以通过自我调节而维持稳定状态，这在等离子体控制和应用中是非常重要的。
此外，等离子体还具有辐射、吸收和散射等电磁波的能力。
由于带电粒子与电磁波的相互作用，等离子体在电磁波传播和反射中发挥着重要的影响。
这种性质使得等离子体在通信、雷达和光谱学等领域有着广泛的应用。
三、等离子体的应用等离子体物理在众多领域中都有着重要的应用。
在天文学中，等离子体物理帮助我们理解了星球大气层、太阳风等天体现象。
在聚变能源研究中，等离子体物理是理解和控制等离子体的关键。
只有高温等离子体的稳定和控制才能产生出可持续、清洁的聚变能源。
在材料科学中，等离子体物理常用于表面处理和涂层制备。
等离子体可以改变材料表面的化学和物理性质，形成具有特定功能的表面，如耐磨、防腐蚀和生物相容等。
这种表面处理技术在航空航天、汽车制造和生物医学等领域中有着重要的应用。
等离子体物理
等离子体物理等离子体物理是研究等离子体的形成及其各种性质和运动规律的学科。
宇宙间的大部分物质处于等离子体状态。
例如：太阳中心区的温度超过一千万度，太阳中的绝大部分物质处于等离子体状态。
地球高空的电离层也处于等离子体状态。
19世纪以来对于气体放电的研究、20世纪初以来对于高空电离层的研究，推动了等离子体的研究工作。
从20世纪50年代起，为了利用轻核聚变反应解决能源问题，促使等离子体物理学研究蓬勃发展。
第1章聚变能利用和研究进展本章先介绍聚变反应、聚变能利用原理、聚变能利用条件、实现聚变能利用的途径、方法和当前研究的进展，为学习等离子体物理提供一个背景和讨论的平台。
然后介绍等离子体的性质、特点和研究方法。
1.1 聚变反应和聚变能1.聚变反应的发现19世纪末，放射性发现之后，太阳能的来源很快地被揭开。
英国化学家和物理学家阿斯顿(Aston)利用摄谱仪进行同位素研究，他在实验中发现，氦-4质量比组成氦的2个质子、2个中子的质量之和大约小1％(质量亏损)。
这一质量亏损的结果为实现核聚变并释放能量提供了实验依据。
同一时期，卢瑟福也提出，能量足够大的轻核碰撞后，可能发生聚变反应。
1929年英国的阿特金森（R.de Atkinson）和奥地利的胡特斯曼（F.G.Hout-ersman）证明氢原子聚变为氦的可能性，并认为太阳上进行的就是这种轻核聚变反应。
1932年美国化学家尤里（Urey）发现氢同位素氘（重氢，用D表示），为此，1934年他获得诺贝尔化学奖。
6序言受控热核聚变研究旨在探索新能源，因此它是当代备受世人瞩目的重大研究课题。
半个多世纪以来，经过世界各国科学家的努力探索，磁约束核聚变装置（托卡马克）现在已进入能源开发工程的实验阶段。
特别是2006年11月21日，中国、欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国和印度七方代表在巴黎正式签署了《国际热核聚变实验堆（International Yhermonuclear Experimental Reactor，ITER）联合实施协定》，这标志着ITER计划进入了正式实施和开工建设阶段。
等离子体物理
等离子体物理学是研究等离子体的形成及其各种性质和运动定律的学科。这种聚变的应用前景集中在轻核聚变上，即利用磁约束等离子体进行连续聚变反应。
等离子体物理学
简单的介绍
等离子体物理学是研究等离子体的形成及其各种性质和运动定律的学科。宇宙中的大多数物质处于等离子体状态。例如，太阳中心区域的温度超过1000万度，并且太阳中的大部分物质处于等离子体状态。地球高度的电离层也处于等离子体状态。
应将实验结果与对应于参数条件的理论分析进行比较，以确定实验和理论的方向。等离子体实验的因素复杂多变，困难且不准确，理论描述还远远不够完善。实验中经常会出现意想不到的结果，这是理论创新的重点。
（2）理论描述包括近似法和统计法。
粒子轨道理论和磁流体动力学是近似方法。粒子轨道理论将等离子体视为一组独立的带电粒子，仅讨论单个粒子在外部电磁场中的运动特性，而忽略了粒子之间的相互作用，也就是说，它可以近似粒子运动方程。该理论仅适用于薄等离子体的研究。在某些条件下的密集等离子体也可以描述等离子体的运动通过确定每个粒子的轨道进行适当的定位，并提供稠密等离子体的某些特性。但是，由于致密等离子体的强集体效应，粒子之间的耦合非常紧密，因此理论非常有限。
等离子体及其物理特性
o(3)宏观上是电中性的。
虽然等离子体宏观上是电中性的， 但是由于电子的热运动，等离子体局部会偏离电中性。 电荷之间的库仑相互作用，使这种偏离电中性的范围不能无限扩大， 最终使电中性得以恢复。偏离电中性的区域最大尺度称为德拜长度λD。 当系统尺度 L＞λD时，系统呈现电中 强，当 L<λD时，系统可能出现非电中性。
用实验方法测定等离子体参量的技术。诊断的方法有探针法、微波法、激光法、光谱法、光学法和粒子束法，其中光学法的原理可参见风洞测试仪器；粒子束法的应用不如前五种普遍。诊断的参量包括微观参量（如碰撞频率）和宏观参量（如密度、温度、压力等热力学参量，以及粘性、扩散、热导率和电导率等输运系数）。一般表征部分电离等离子体特性的参量主要是电子密度、电子温度和碰撞频率。电子密度和电子温度的范围不同，所用的测量方法也不同（图1、图2）。 等离子体诊断技术是随着等离子体科学的进展而发展起来的。20世纪初，开始观测宇宙等离子体。20年代，为了研究气体放电，开创了实验室等离子体诊断。从50年代起，在受控热核反应和空间技术研究的推动下，等离子体诊断的研究进入全盛时期。下面将等离子体诊断应用的各种方法作一介绍。
2.等离子体的主要参量
描述等离子体的一些主要参量为：
1. (l)电子温度Te0它是等离子体的一个主要参量，因为在等离子体中电子碰撞电离是主要的，而电子碰撞电离与电子的能量有直接关系，即与电子温度相关联。
2.(2)带电粒子密度。电子密度为ne，正离子密度为ni，在等离子体中ne≈ni。
3.(3)轴向电场强度 EL0表征为维持等离子体的存在所需的能量。
电导率探针由磁场线圈和探测线圈组成。它利用磁场和等离子体相互作用原理来确定等离子体的电导率。电导率探针有电导率计（图7)和射频电导率探针（图8）等类型。对于电导率计，当高速运动的等离子体切割其磁场线圈的磁力线时，等离子体中便产生感应电流。这又在探测线圈中造成磁通量的变化并感生出电动势。在已知等离子体运动速度的情况下，测量探测线圈中的感应端电压，可以得到等离子体的电导率。射频电导率探针是把磁场线圈和探测线圈合成一个。它利用振荡器产生高频振荡，并通过电介质窗口传输到等离子体中，从而感应出涡流，涡流又影响线圈的阻抗。测量线圈的品质因数（Q值）或谐振频率的变化,可以确定等离子体的高频电导率。 微波法利用电磁波频谱中的微波与等离子体相互作用的原理来测量等离子体参量的方法。微波在等离子体中传播时,会使微波器件的工作状态发生变化（如Q值下降等），并发生吸收、相移以及反射、折射、散射等过程。相应的衰减量、相移量和反射量等物理量可由实验测定，而它们对等离子体的电子密度、碰撞频率等参量的依赖关系则可由理论分析给出。基于这类现象的诊断称为微波传输测量，它分为空腔法和自由传播法两种。图9给出自由传播法的三种基本方法，可进行衰减测量、反射测量和相移测量等。另一类微波法是测量等离子体的微波辐射（如黑体辐射、轫致辐射、回旋辐射和相干辐射等），从而获得有关等离子体温度、不稳定性等特性的信息。
等离子体物理
等离子体：等离子体(plasma)又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质，尺度大于德拜长度的宏观电中性电离气体，其运动主要受电磁力支配，并表现出显著的集体行为。
它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。
等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。
等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境空间、空间物理、地球物理等科学的进一步发展提供了新的技术和工艺。
等离子体是不同于固体、液体和气体的物质第四态。
物质由分子构成，分子由原子构成，原子由带正电的原子核和围绕它的、带负电的电子构成。
当被加热到足够高的温度或其他原因，外层电子摆脱原子核的束缚成为自由电子，就像下课后的学生跑到操场上随意玩耍一样。
电子离开原子核，这个过程就叫做“电离”。
这时，物质就变成了由带正电的原子核和带负电的电子组成的、一团均匀的“浆糊”，因此人们戏称它为离子浆，这些离子浆中正负电荷总量相等，因此它是近似电中性的，所以就叫等离子体。
等离子体物理：等离子体物理是研究等离子体的形成及其各种性质和运动规律的学科。
宇宙间的大部分物质处于等离子体状态。
发展历史19世纪以来对于气体放电的研究、20世纪初以来对于高空电离层的研究，推动了等离子体的研究工作。
从20世纪50年代起，为了利用轻核聚变反应解决能源问题，促使等离子体物理学研究蓬勃发展。
研究方法：等离子体物理学已发展成为物理学的一个内容丰富的新兴分支。
由于等离子体种类繁多、现象复杂、而且应用广泛，对这一物质状态的研究，正方兴未艾，从实验、理论、数值计算三个方面，互相结合，向深度和广度发展。
（1）实验研究用实验方法研究等离子体有如下特点。
对于天然的等离子体，即天体、空间和地球大气中出现的等离子体，人们不可能用地面上实验室中的一般方法主动地调节实验条件或加以控制，而主要只能通过各种日益增多的天文和空间观测手段,如光学、射电、X射线以及现代的高空飞行器和人造卫星──“空间实验室”，来接收它们所发射的各种辐射（包括各种粒子）。
等离子体物理
等离子体物理等离子体物理是研究等离子体性质及其在自然界和人工应用中的现象和行为的科学学科。
等离子体是相对于气体、液体和固体而言的第四种物态，是由自由电子和正离子组成的带电的气体。
等离子体在自然界中广泛存在，如太阳、恒星、闪电、极光等都是等离子体现象。
等离子体的物理特性使其在科学研究和技术应用中具有重要的地位。
本文将介绍等离子体的基本概念、性质和应用。
首先，让我们了解一下等离子体的基本概念。
等离子体是由电子和离子组成的带电气体，电子和离子是通过准粒子相互作用而形成的。
在等离子体中，电子和离子之间通过库仑力相互吸引，并以一定的能量进行碰撞。
由于电子的质量比离子小得多，所以电子在电场中的运动速度远远超过了离子。
这就导致了等离子体中的电荷分离现象，即正离子和负电子在电场的作用下分别向相反方向运动。
这种带电粒子的运动形成了等离子体的电流和电场，这也是等离子体与普通气体之间最本质的差别。
等离子体的性质在很大程度上受到温度和密度的影响。
由于等离子体的带电粒子具有较高的能量，因此等离子体通常具有较高的温度。
在太阳等热源中，温度甚至可达到数百万度。
此外，等离子体的密度也较普通气体大，几乎与固体相当。
这使得等离子体具有良好的导电性和较强的辐射性。
接下来，让我们来看看等离子体在自然界中的一些现象和行为。
太阳是一个巨大的等离子体球，太阳的核心处存在着高温高密度的等离子体，这是太阳能源的产生和释放的地方。
在太阳表面，可见到太阳耀斑和太阳风等等等离子体现象。
太阳耀斑是太阳表面的一种爆发现象，释放出巨大的能量，引起太空天气的变化。
太阳风是太阳大气层的一种喷流，由太阳等离子体和磁场共同产生。
这些现象的研究不仅有助于了解太阳的起源和演化，也对地球的气候和通信系统等产生重要影响。
除了太阳，地球的磁场也与等离子体有着密切的联系。
地球磁场中存在着范艾伊曼层，这是由太阳风与地球大气层的等离子体相互作用形成的。
范艾伊曼层对太阳风的入射和地球上空的无线电通信起到了屏蔽和反射的作用。
等离子体物理学
等离⼦体物理学§2 等离⼦体物理学研究等离⼦体的形成、性质和运动规律的⼀门学科。
宇宙间的物质绝⼤部分处于等离⼦体状态。
天体物理学和空间物理学所研究的对象中，如太阳耀斑、⽇冕、⽇珥、太阳⿊⼦、太阳风、地球电离层、极光以及⼀般恒星、星云、脉冲星等等，都涉及等离⼦体。
处于等离⼦状态的轻核，在聚变过程中释放了⼤量的能量,因此,这个过程的实现，将为⼈类开发取之不尽的能源。
要利⽤这种能量，必须解决等离⼦体的约束、加热等物理问题。
所以，等离⼦体物理学是天体物理学、空间物理学和受控热核聚变研究的实验与理论基础。
此外，低温等离⼦体的多项技术应⽤，如磁流体发电、等离⼦体冶炼、等离⼦体化⼯、⽓体放电型的电⼦器件，以及⽕箭推进剂等研究，也都离不开等离⼦体物理学。
⾦属及半导体中电⼦⽓的运动规律，也与等离⼦体物理有联系。
⼀发展简史19世纪以来对⽓体放电的研究;19世纪中叶开始天体物理学及20世纪对空间物理学的研究；1950年前后开始对受控热核聚变的研究；以及低温等离⼦体技术应⽤的研究，从四个⽅⾯推动了这门学科的发展。
19世纪30年代英国的M.法拉第以及其后的J.J.汤姆孙、J.S.E.汤森德等⼈相继研究⽓体放电现象，这实际上是等离⼦体实验研究的起步时期。
1879年英国的W.克鲁克斯采⽤“物质第四态”这个名词来描述⽓体放电管中的电离⽓体。
美国的I.朗缪尔在1928年⾸先引⼊等离⼦体这个名词，等离⼦体物理学才正式问世。
1929年美国的L.汤克斯和朗缪尔指出了等离⼦体中电⼦密度的疏密波（即朗缪尔波）。
对空间等离⼦体的探索，也在20世纪初开始。
1902年英国的O.亥维赛等为了解释⽆线电波可以远距离传播的现象，推测地球上空存在着能反射电磁波的电离层。
这个假说为英国的E.V.阿普顿⽤实验证实。
英国的D.R.哈特⾥(1931)和阿普顿(1932)提出了电离层的折射率公式，并得到磁化等离⼦体的⾊散⽅程。
1941年英国的S.查普曼和V.C.A.费拉罗认为太阳会发射出⾼速带电粒⼦流，粒⼦流会把地磁场包围，并使它受压缩⽽变形。
等离子体物理
等离子体物理等离子体物理是物理学中研究等离子体性质和行为的一个分支。
等离子体是由电离气体或高温等离子体组成的第四种物质状态，具有非常特殊的性质和行为。
本文将介绍等离子体的概念、特性以及在科学研究和工业应用领域的重要性。
一、等离子体的定义与特性等离子体是指原子或分子失去或获得电子而形成的带电气体。
在等离子体中，正电荷和负电荷的数量大致相等，使得等离子体整体呈电中性。
等离子体广泛存在于自然界中，如太阳、恒星的外层、闪电、地球的大气层等。
此外，在实验室中也可以通过电离气体、高温等方式产生等离子体。
1.1 等离子体的主要特性（1）导电性：等离子体由于带电粒子的存在，具有良好的导电性。
（2）等离子体互相耦合：等离子体中的粒子之间通过相互作用相互影响，形成一个高度耦合的系统。
（3）等离子体行为受电磁场驱动：等离子体对外界电磁场非常敏感，电磁场的变化能够对等离子体的位置和行为产生显著影响。
二、等离子体物理研究的重要性等离子体物理的研究对于理解太阳、恒星的形成与演化、闪电等现象以及推动科学技术的发展有重要的意义。
2.1 宇宙中等离子体的作用等离子体是宇宙中最常见的物质状态之一，太阳和恒星的外层都是等离子体，等离子体对宇宙的演化和研究具有重要意义。
例如，太阳中的等离子体产生了太阳风，使得其中微小的粒子能够飞向地球形成极光等自然现象。
2.2 工业与应用领域等离子体物理在工业与应用领域中有广泛的应用，如等离子体切割、等离子体处置与净化、等离子体增材制造等。
（1）等离子体切割：等离子体切割广泛应用于金属、合金、陶瓷等材料的处理，通过等离子体高速剪切材料，实现高效的切割效果。
（2）等离子体处置与净化：等离子体技术被用于处理有毒有害废物、污水净化、空气净化等环境保护和清洁技术中。
（3）等离子体增材制造：等离子体增材制造技术可以在金属、合金等材料表面上沉积出必要的涂层，提高材料的性能和耐久度。
三、等离子体物理研究方法等离子体物理研究主要依赖于实验、数值模拟和理论计算等多种方法的综合。
等离子体物理基础
等离子体物理基础引言等离子体是物质的一种状态，是在高温或高能条件下，分子或原子失去或获得电子而形成的电离气体。
等离子体物理是研究等离子体性质和行为的学科，它涉及到电磁场、粒子运动、电离和复杂的相互作用等多个方面。
本文将从等离子体的定义、性质、产生方式以及应用领域等方面进行介绍。
一、等离子体的定义和性质等离子体是由正、负电荷的离子和自由电子组成的气体，由于存在大量的电子和离子，其电磁性质与普通气体有很大不同。
等离子体具有高度的电导性，可以传导电流和产生磁场。
此外，等离子体还表现出诸如等离子体波、等离子体振荡等特殊的物理现象。
二、等离子体的产生方式1. 加热法：通常使用激光、高频电磁波或电子束等加热手段，将气体加热到高温状态，使分子或原子电离，产生等离子体。
2. 放电法：通过在气体中加入足够的能量，使气体分子或原子电离，从而形成等离子体。
常见的放电方式有电弧放电、辉光放电和电晕放电等。
3. 激波法：在气体中传播激波，当激波强度足够大时，可以将气体分子或原子电离，产生等离子体。
4. 激光离子化法：利用激光的高能量将气体分子或原子电离，形成等离子体。
三、等离子体的应用领域1. 等离子体显示技术：等离子体显示器（PDP）利用等离子体的发光特性，能够实现高亮度、高对比度和快速响应的显示效果，广泛应用于大尺寸显示器和电视等领域。
2. 核聚变研究：等离子体在核聚变领域有重要应用，核聚变是模拟太阳能源的一种方式，通过将氢等离子体加热到非常高的温度和压力，使氢核融合形成氦核，释放出巨大的能量。
3. 等离子体刻蚀技术：等离子体刻蚀技术是一种常用的微纳加工技术，通过利用等离子体的化学反应和物理打击作用，可以对材料表面进行高精度的刻蚀，用于制造集成电路和微电子器件等。
4. 等离子体医学应用：等离子体在医学领域也有一定的应用，例如等离子体刀技术可以用来治疗肿瘤、凝固组织等。
5. 太阳风和宇宙等离子体：等离子体存在于太阳风和宇宙空间中，对于了解宇宙的起源和演化具有重要意义。
等离子体物理
等离子体是一种区别于固态、液态、气态之外的第四种物质形态，是宇宙中一种常见的物质，在太阳、恒星、闪电中都存在等离子体，它占了整个宇宙的99%。
物质当被加热到足够高的温度或其他原因，外层电子摆脱原子核的束缚成为自由电子，电子离开原子核，变成由带正电的原子核和带负电的电子组成的、一团均匀的等离子体。
等离子体由离子、电子以及未电离的中性粒子的集合组成，整体呈中性的物质状态。
等离子体可分为两种：高温和低温等离子体。
高温等离子体只有在温度足够高时发生的。
恒星不断地发出这种等离子体，比如太阳中心区的温度超过一千万摄氏度，太阳中的绝大部分物质处于等离子体状态。
等离子体物理主要研究等离子体的形成及其各种性质和运动规律的学科。
19世纪以来对于气体放电的研究、20世纪初以来对于高空电离层的研究，促使等离子体物理学研究蓬勃发展。
特别是从20世纪50年代起为了利用轻核聚变反应解决能源问题，以探索、开发、解决人类无限而清洁的新能源。
研究高温等离子体性质，以及如何实现并维持上亿摄氏度高温等离子体的长时间连续运行，以获得可控的清洁、安全、用之不竭的聚变能，一劳永逸地解决人类社会发展的能源需求，对人类及地球长期可持续发展意义重大，不仅可以满足人类发展对未来能源的需求，大大降低人类对矿石能源的追逐引发战争的风险，也避免因过度开发导致的环境污染等难题，更好地保护地球。
自从上个世纪四五十年代原子弹、氢弹这些破坏性杀伤性武器问世，人们就希望将这些核能开发出来作为能源使用。
基于核裂变反应的核电站已经为人类提供了大量能源，但是由于其存在安全隐患以及放射性核费料的处理等难题，其发展受到了很大限制。
虽然太阳、氢弹等都是基于核聚变反应释放大量光和热的，但是到目前为止人们还不能够有效实现核聚能的应用。
太阳主要依靠重力来约束高温等离子体的聚变反应来产生光和热，并且不存在一个固体边界。
而在地球上实现可控核聚变，必须解决高温等离子体约束及固体边界问题，以实现并维持上亿摄氏度高温等离子体的长时间连续运行，为人类提供丰富无限的清洁能源，以满足未来社会不断发展对能源的重大需求。
等离子体物理
对于自然等离子体，即天体、空间和地球大气层中的等离子体，人们不可能通过地面实验室的一般方法来调节或控制实验条件，也不可能通过常规的方法来控制，而只能通过日益增多的天文和空间控制观察员来实现，例如光学、无线电、X射线、现代飞机和卫星，“空间实验室”接收它们发出的各种辐射，包括粒子。基于大量的观测结果，在了解天体物理学和空间物理的基础上，通过分析和综合已有的等离子体物理理论，可以深入了解这些自然等离子体的现象、性质、结构、运动和演化。以及现有的基础实验数据。
发展道路
19世纪以来的气体放电研究和20世纪初以来的高空电离层研究推动了等离子体的研究。自20世纪50年代以来，为了通过光聚变反应解决能量问题，等离子体物理学得到了迅速发展。
图书信息ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
研究方法
教材
教材
等离子体物理已成为丰富物理学的一个新分支。由于等离子体的多样性、现象的复杂性和广泛的应用，对其状态的研究方兴未艾。它结合实验、理论和数值计算三个方面，拓展深度和广度。
等离子体物理学是一门研究等离子体形成及其各种性质和运动规律的学科。这种聚变的应用前景主要集中在轻核聚变，即利用磁约束等离子体的连续聚变反应。
等离子体物理学
简介
等离子体物理学是一门研究等离子体形成及其各种性质和运动规律的学科。宇宙中大多数物质都处于等离子体状态。例如，太阳中心区域的温度超过1000万度，太阳中的大部分物质处于等离子体状态。地球高度的电离层也处于等离子体状态。
实验结果应与理论分析相比较，对应参数条件，确定实验和理论的方向。等离子体实验的因素复杂多变，难度大，不准确，理论描述还很不完善。实验中经常出现意想不到的结果，这是理论创新的重点。
（2）理论描述包括近似方法和统计方法。
等离子体物理现象
等离子体物理现象等离子体是一种高度激发的物质状态，具有丰富多样的物理现象。
在等离子体中，原子或分子通过吸收足够的能量而被电离，形成带正电荷的离子和自由电子。
这种带电粒子的存在导致了许多与电磁场和粒子碰撞相关的独特现象。
本文将介绍等离子体物理现象的几个重要方面。
一、等离子体的宏观性质等离子体具有导电性、等离子体屏蔽和等离子体体积效应等宏观性质。
首先，等离子体的导电性是其最基本的性质之一。
因为等离子体中带正电荷的离子和带负电荷的自由电子，它们可以在外电场的作用下运动，使得电流能够在等离子体中传播。
其次，等离子体屏蔽是指等离子体附近的电场受到等离子体内部带电粒子的屏蔽效应，从而降低了外部电场对等离子体的影响。
最后，等离子体的体积效应是指等离子体在外电场作用下，由于持续的电离和复合过程，导致等离子体的尺寸扩大。
这种效应在等离子体的能量传输和与外界形成耦合时起到重要作用。
二、等离子体的电磁现象等离子体中的带电粒子对电磁场具有响应能力，导致等离子体中发生一系列电磁现象，如等离子体振荡、等离子体激发和等离子体波动。
等离子体振荡是指等离子体中带电粒子受到外部电场的作用，产生类似振荡的运动。
这种振荡能够导致等离子体中的等离子体波动和辐射等现象。
等离子体激发是指在外电场的作用下，等离子体中的带电粒子从基态跃迁到激发态。
这种激发会产生辐射，如等离子体闪烁、辐射丧失等。
等离子体波动是指等离子体中的带电粒子在外电场的作用下，产生波动的运动。
这种波动导致了等离子体中的等离子体波、等离子体涡旋等现象。
三、等离子体的辐射等离子体通过辐射能量，包括受激辐射、自由辐射和辐射损失。
受激辐射是指等离子体中的带电粒子通过电磁波与其它粒子发生碰撞，产生能量跃迁，从而释放出谱线辐射。
自由辐射是指等离子体中的带电粒子在电磁波的作用下，自发地发出辐射能量。
辐射损失是指等离子体中的带电粒子通过辐射失去能量，并且导致等离子体的能量损耗。
总结：等离子体物理现象是一个复杂且多样的领域，其中涉及了等离子体的宏观性质、电磁现象以及辐射等方面。
等离子体物理学(物理学分支学科)
发展趋势
0 2
常见的等离 子体
0 1
等离子体
0 3
等离子体的 性质
0 4
电离
0 5
组成粒子
0 6
速率分布
等离子 体 等离子体（等离子态，电浆，英文：Plasma）是一种电离的气体，由于存在电离出来的自由电子和带电离子，
等离子体具有很高的电导率，与电磁场存在极强的耦合作用。等离子态在宇宙中广泛存在，常被看作物质的第四 态（有人也称之为“超气态”）。等离子体由克鲁克斯在1879年发现，“Plasma”这个词，由朗廖尔在1928年最 早采用。
* 1常见的等离子体
* 2等离子体的性质
o 2.1电离
o 2.2组成粒子
o 2.3速率分布
* 3参见
常见的等离子 体
等离子体是存在最广泛的一种物态，目前观测到的宇宙物质中，99%都是等离子体。 *人造的等离子体 o荧光灯，霓虹灯灯管中的电离气体 o核聚变实验中的高温电离气体 o电焊时产生的高温电弧 *地球上的等离子体 o火焰（上部的高温部分） o闪电 o大气层中的电离层 o极光 *宇宙空间中的等离子体
相比于一般气体，等离子体组成粒子间的相互作用也大很多。
速率分 布
一般气体的速率分布满足麦克斯韦分布，但等离子体由于与电场的耦合，可能偏离麦克斯韦分布。
发展简史
发展简 史 19世纪以来对气体放电的研究；19世纪中叶开始天体物理学及20世纪对空间物理学的研究；1950年前后开始
对受控热核聚变的研究；以及低温等离子体技术应用的研究，从四个方面推动了这门学科的发展。
19世纪30年代英国的M.法拉第以及其后的J.J.汤姆孙、J.S.E.汤森德等人相继研究气体放电现象，这实际上 是等离子体实验研究的起步时期。1879年英国的W.克鲁克斯采用“物质第四态”这个名词来描述气体放电管中的 电离气体。美国的I.朗缪尔在1928年首先引入等离子体这个名词，等离子体物理学才正式问世。1929年美国的L. 汤克斯和朗缪尔指出了等离子体中电子密度的疏密波（即朗缪尔波）。
等离子体及其物理特性
4.(4)电子平均动能 。
5.(5)空间电位分布。
此外，由于等离子体中带电粒子间的相互作用是长程的库仑力，使它们在无规则的热运动之外，能产生某些类型的集体运动，如等离子振荡，其振荡频率f，称为朗缪尔频率或等离子体频率。电子振荡时辐射的电磁被称为等离子体电磁辐射。
3.稀薄气体产生的辉光放电
本实验研究的是辉光放电等离子体。
正辉区是我们感兴趣的等离子区。其特征是：气体高度电离；电场强度很小，且沿轴向有恒定值。这使得其中带电粒子的无规则热运动胜过它们的定向运动。所以它们基中上遵从麦克斯韦速度分布律。由其具体分布可得到一个相应的温度，即电子温度。但是，由于电子质量小，它在跟离子或原子作弹性碰撞时能量损失很小，所以电子的平均动能比其它粒 子的大得多。这是一种非平衡状态。因此，虽然电子温度很高（约为105）， 但放电气体的整体温度并不明显升高，放电管的玻璃壁并不软化。
电导率探针由磁场线圈和探测线圈组成。它利用磁场和等离子体相互作用原理来确定等离子体的电导率。电导率探针有电导率计（图7)和射频电导率探针（图8）等类型。对于电导率计，当高速运动的等离子体切割其磁场线圈的磁力线时，等离子体中便产生感应电流。这又在探测线圈中造成磁通量的变化并感生出电动势。在已知等离子体运动速度的情况下，测量探测线圈中的感应端电压，可以得到等离子体的电导率。射频电导率探针是把磁场线圈和探测线圈合成一个。它利用振荡器产生高频振荡，并通过电介质窗口传输到等离子体中，从而感应出涡流，涡流又影响线圈的阻抗。测量线圈的品质因数（Q值）或谐振频率的变化,可以确定等离子体的高频电导率。 微波法利用电磁波频谱中的微波与等离子体相互作用的原理来测量等离子体参量的方法。微波在等离子体中传播时,会使微波器件的工作状态发生变化（如Q值下降等），并发生吸收、相移以及反射、折射、散射等过程。相应的衰减量、相移量和反射量等物理量可由实验测定，而它们对等离子体的电子密度、碰撞频率等参量的依赖关系则可由理论分析给出。基于这类现象的诊断称为微波传输测量，它分为空腔法和自由传播法两种。图9给出自由传播法的三种基本方法，可进行衰减测量、反射测量和相移测量等。另一类微波法是测量等离子体的微波辐射（如黑体辐射、轫致辐射、回旋辐射和相干辐射等），从而获得有关等离子体温度、不稳定性等特性的信息。
等离子体物理学
等离子体物理学等离子体物理学是一门研究等离子体性质和行为的学科，它涉及到等离子体的产生、演化和应用。
等离子体是物质的第四态，由离子和自由电子组成，具有很多独特的性质和行为。
1. 等离子体的产生等离子体可以通过多种方法产生。
其中一种常见的方式是在高温下加热气体，使其分子电离，并激励电子进入高能级状态。
这样产生的等离子体称为热等离子体。
另一种方式是使用强电场或强激光束将气体分子电离，产生等离子体。
这样产生的等离子体称为非热等离子体。
等离子体的产生过程在工业中有着广泛的应用，例如等离子体刻蚀技术、等离子体喷涂技术等。
2. 等离子体的性质和行为等离子体具有许多独特的性质和行为，使其成为研究和应用的重要领域之一。
2.1 等离子体的导电性由于等离子体中带有自由电子和离子，它具有良好的导电性。
在外加电场的作用下，等离子体中的电子和离子会受到电场力的驱动，形成电流。
这种导电性使等离子体在等离子体技术和能量传输方面有着广泛的应用。
2.2 等离子体的自激振荡和波动性等离子体中的电子和离子会受到外界的激励，进而发生自激振荡。
这种自激振荡可以产生电磁波，例如等离子体激光器中的激光。
此外，等离子体还可以支持多种波动，包括电磁波和物质波。
这些波动现象在等离子体波动理论和等离子体诊断中被广泛研究和应用。
2.3 等离子体的聚变与束缚在高温和高密度条件下，等离子体中的核反应可以产生聚变能量。
聚变是太阳和恒星的能量来源之一，也是人类进行核聚变能研究的重要方向。
此外，借助强磁场的约束，等离子体还可用于磁约束聚变实验和聚变堆的研究。
3. 等离子体物理学的应用等离子体物理学在许多领域有着广泛的应用。
3.1 等离子体技术等离子体技术被广泛应用于微电子制造、半导体工艺、涂层和材料处理等领域。
等离子体技术可以通过控制等离子体的性质和行为来改变材料表面的性质，提高材料的硬度、附着力和防腐蚀性能等。
3.2 等离子体诊断等离子体诊断是研究等离子体属性和行为的重要手段。
物理学中的等离子体物理及其应用
物理学中的等离子体物理及其应用等离子体是指气体中大量自由电子和正离子相互作用的状态，是物质的第四态，与固体、液体和气体相对应。
等离子体物理是由电子、离子、辐射、场和粒子等相互作用而形成的一门交叉学科。
等离子体物理在物理学和工程学中应用广泛，可以用于材料表面改性、高能密度物理研究、能量转移、医学、半导体工艺等方面。
一、等离子体的形成和特性在很高的温度下或者强电场的作用下，气体中的原子和分子会失去部分或全部的电子，形成离子和自由电子，这种带电气体即为等离子体。
等离子体的基本特性包括带电荷、自发发射辐射、收缩性、用磁场可以控制其运动等。
等离子体可以被分为低温等离子体和高温等离子体，低温等离子体在温度上和压强上都比高温等离子体低，而且密度也要低得多。
二、等离子体在物理学中的应用1. 材料表面改性使用等离子体物理技术可以将各种原电绝缘体材料改良为导电体材料，制备出透明导电膜、硬质涂层和耐磨性表面等。
等离子体除了可以改变材料的表面性质，还可以增强材料的表面结构，如生成纳米颗粒、线等。
这种先进的材料表面改性技术被广泛应用于半导体、电子、航空、能源和照明等领域。
2. 高能密度物理研究高能量密度物理主要研究当物质受到高能量输入时，其行为特征的变化和过程的演化。
等离子体极具高能量密度，可以在实验装置中被制造出来，在研究爆炸、星际物理等领域有着重要的应用。
等离子体主要被用于模拟太阳物理、制造核聚变等领域。
3. 能量转移等离子体物理技术可以被用于能量转移。
等离子体通过调整能量的密度和球形尺寸，可以将一种形式的能量（如光能、热能）转化成另一种形式的能量（如电能、磁能）。
对于电能的转化，等离子体物理技术可以用于制造接触式闪光灯、放电管和电磁炮等。
4. 医学等离子体技术还可以用于肿瘤细胞治疗、伤口愈合和表面抗菌材料的生产等领域。
等离子体可以产生一定能量，有消毒杀菌、催化药物和纤维聚合等功能。
因此，等离子体物理技术在医学中被广泛应用。
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PLASMONICS:FUNDAMENTALS AND APPLICATIONSPLASMONICS:FUNDAMENTALS AND APPLICATIONSSTEFAN A.MAIERCentre for Photonics and Photonic MaterialsDepartment of Physics,University of Bath,UKStefan A.MaierCentre for Photonics&Photonic MaterialsDepartment of PhysicsUniversity of BathBath BA27A YUnited KingdomPlasmonics:Fundamentals and ApplicationsLibrary of Congress Control Number:2006931007ISBN0-387-33150-6e-ISBN0-387-37825-1ISBN978-0387-33150-8e-ISBN978-0387-37825-1Printed on acid-free paper.c 2007Springer Science+Business Media LLCAll rights reserved.This work may not be translated or copied in whole or in part without the written permission of the publisher(Springer Science+Business Media LLC,233Spring Street,New York,NY10013,USA),except for brief excerpts in connection with reviews or scholarly e in connection with any form of information storage and retrieval, electronic adaptation,computer software,or by similar or dissimilar methodology now know or hereafter developed is forbidden.The use in this publication of trade names,trademarks,service marks and similar terms, even if the are not identified as such,is not to be taken as an expression of opinion as to whether or not they are subject to proprietary rights.987654321For Harry Atwater,with thanks for the great time.ContentsDedication v List of Figures xi Foreword xix Preface xxiii Acknowledgments xxvPart I Fundamentals of PlasmonicsIntroduction31.ELECTROMAGNETICS OF METALS51.1.Maxwell’s Equations and Electromagnetic Wave Propagation51.2.The Dielectric Function of the Free Electron Gas111.3.The Dispersion of the Free Electron Gas and V olume Plasmons151.4.Real Metals and Interband Transitions171.5.The Energy of the Electromagnetic Field in Metals182.SURFACE PLASMON POLARITONS AT METAL/INSULATORINTERFACES212.1.The Wave Equation212.2.Surface Plasmon Polaritons at a Single Interface252.3.Multilayer Systems302.4.Energy Confinement and the Effective Mode Length343.EXCITATION OF SURFACE PLASMON POLARITONSAT PLANAR INTERFACES393.1.Excitation upon Charged Particle Impact39viii Contents3.2.Prism Coupling423.3.Grating Coupling443.4.Excitation Using Highly Focused Optical Beams473.5.Near-Field Excitation483.6.Coupling Schemes Suitable for Integration with Conventional PhotonicElements50 4.IMAGING SURFACE PLASMON POLARITON PROPAGATION534.1.Near-Field Microscopy534.2.Fluorescence Imaging574.3.Leakage Radiation594.4.Scattered Light Imaging625.LOCALIZED SURFACE PLASMONS655.1.Normal Modes of Sub-Wavelength Metal Particles665.2.Mie Theory725.3.Beyond the Quasi-Static Approximation and Plasmon Lifetime735.4.Real Particles:Observations of Particle Plasmons775.5.Coupling Between Localized Plasmons805.6.V oid Plasmons and Metallic Nanoshells855.7.Localized Plasmons and Gain Media876.ELECTROMAGNETIC SURFACE MODES AT LOW FREQUENCIES896.1.Surface Plasmon Polaritons at THz Frequencies906.2.Designer Surface Plasmon Polaritons on Corrugated Surfaces936.3.Surface Phonon Polaritons101Part II ApplicationsIntroduction1077.PLASMON WA VEGUIDES1097.1.Planar Elements for Surface Plasmon Polariton Propagation1107.2.Surface Plasmon Polariton Band Gap Structures1147.3.Surface Plasmon Polariton Propagation Along Metal Stripes1167.4.Metal Nanowires and Conical Tapers for High-Confinement Guidingand Focusing1247.5.Localized Modes in Gaps and Grooves129Contents ix7.6.Metal Nanoparticle Waveguides1317.7.Overcoming Losses Using Gain Media1388.TRANSMISSION OF RADIATION THROUGH APERTURESAND FILMS1418.1.Theory of Diffraction by Sub-Wavelength Apertures1418.2.Extraordinary Transmission Through Sub-Wavelength Apertures1448.3.Directional Emission Via Exit Surface Patterning1508.4.Localized Surface Plasmons and Light Transmission Through SingleApertures1538.5.Emerging Applications of Extraordinary Transmission1578.6.Transmission of Light Through a Film Without Apertures1579.ENHANCEMENT OF EMISSIVE PROCESSES AND NONLINEARITIES1599.1.SERS Fundamentals1599.2.SERS in the Picture of Cavity Field Enhancement1639.3.SERS Geometries1659.4.Enhancement of Fluorescence1709.5.Luminescence of Metal Nanostructures1739.6.Enhancement of Nonlinear Processes17510.SPECTROSCOPY AND SENSING17710.1.Single-Particle Spectroscopy17810.2.Surface-Plasmon-Polariton-Based Sensors18811.METAMATERIALS AND IMAGING WITH SURFACEPLASMON POLARITONS19311.1.Metamaterials and Negative Index at Optical Frequencies19411.2.The Perfect Lens,Imaging and Lithography19812.CONCLUDING REMARKS201 References203 Index221List of Figures1.1Dielectric function of the free electron gas141.2Complex refractive index of the free electron gas141.3The dispersion of the free electron gas151.4V olume plasmons161.5Dielectric function of silver172.1Definition of a planar waveguide geometry222.2Geometry for SPP propagation at a single interface252.3Dispersion relation of SPPs for ideal metals272.4Dispersion relation of SPPs for real metals292.5SPPs in multilayer systems302.6Dispersion relation of SPPs in an insulator/metal/insulatorheterostructure322.7Dispersion relation of SPPs in an metal/insulator/metalheterostructure342.8Energy confinement and effective mode length353.1Electron energy loss spectra of a thin magnesiumfilm403.2Mapping SPP dispersion with low-energy electron beams413.3Dispersion relation of coupled SPPs obtained using elec-tron loss spectroscopy413.4Prism coupling using attenuated total internal reflection423.5Accessible propagation constants using prism coupling433.6Excitation of SPPs via grating coupling443.7Excitation of SPPs via a micrograting of holes453.8Near-field images of SPPs coupled and decoupled viahole arrays46xii List of Figures3.9Excitation of SPPs using highly focused beams473.10Leakage radiation images of propagating SPPs excitedusing highly focused beams483.11Near-field excitation of SPPs using a sub-wavelengthaperture493.12Typical near-field optical setup for the excitation of SPPs493.13Near-field images of propagating SPPs503.14Coupling to SPPs usingfibre tapers514.1Near-field optical imaging of SPPs544.2Near-field image of a propagating SPP554.3Setup forfluorescent imaging of SPPfields574.4Fluorescent images of locally excited SPPs584.5SPP dispersion and leakage radiation in a three-layer system594.6Experimental setup for leakage radiation collection toimage SPP propagation604.7Experimental leakage radiation intensity profile of ametal grating604.8Leakage radiation detection setup for the determinationof SPP dispersion614.9Direct visualization of SPP dispersion via leakage radiation624.10Experimental setup for the observation of diffuse lightbands634.11Determining SPP dispersion via diffuse light bands645.1Interaction of a metal sphere with an electrostaticfield665.2Polarizability of a sub-wavelength metal nanoparticle685.3Extinction cross section of a silver sphere in the quasi-static approximation715.4Decay of localized plasmons745.5Measured linewidth of plasmon resonances in gold andsilver nanospheres765.6Higher-order resonances in nanowires785.7Scattering spectra of single silver nanoparticles obtainedusing dark-field optical microscopy795.8Fitting plasmon resonances of a variety of nanoparticles795.9Optical near-field distribution of a chain of closely spacedgold nanoparticles and of single particles815.10Schematic of near-field coupling between metallic nanopar-ticles82List of Figures xiii5.11Dependence of near-field coupling in particle arrays oninterparticle spacing835.12Dependence of near-field coupling in particle arrays onchain length835.13Far-field coupling in two-dimensional nanoparticle gratings845.14V oid plasmons855.15Plasmon hybridization in metallic nanoshells866.1Dispersion relation of SPPs for a silver/air and InSb/airinterface906.2Excitation of THz SPPs via edge coupling916.3THz SPP propagation on a metal wire926.4Designer plasmons at the surface of a perfect conductorcorrugated with a one-dimensional array of grooves946.5Dispersion relation of designer plasmons on groove arrays956.6Finite-difference time-domain calculation of designerplasmons on groove arrays966.7Designer plasmons at the surface of a perfect conductorperforated with a two-dimensional lattice of holes976.8Dispersion relation of designer plasmons supported bya two-dimensional lattice of holes in a perfect conductor986.9Finite-difference time-domain simulation of designerplasmons sustained by a two-dimensional hole array inthe surface of a perfect conductor996.10Experimental demonstration of designer plasmons1006.11Calculatedfield enhancement of10nm SiC spheres1016.12Mid-infrared near-field microscopy of SiC nanostructures1026.13Near-field optical imaging of propagating surface phononpolaritons1036.14Near-field images of propagating surface phonon polaritons1037.1Routing SPPs on a planarfilm using surface modulations1107.2Example of a SPP Bragg reflector on a planar surface1117.3Modifying dispersion via dielectric superstrates of vary-ing refractive index1127.4Planar geometric optics with SPPs refracted and re-flected at dielectric structures1127.5Focusing of SPPs on a metalfilm perforated with sub-wavelength holes1137.6Generation and focusing of SPPs via slits milled into ametallicfilm114 7.7SPP band gap structure consisting of a triangular latticeof nanoparticles on a metalfilm115 7.8Defect waveguide in a SPP band gap structure115 7.9Cross section of a metal stripe waveguide1167.10Evolution of propagation constant for SPPs bound toa metal stripe embedded in a homogeneous dielectrichost with stripe thickness118 7.11Mode profile of the long-ranging SPP mode on a silverstripe119 7.12Excitation of leaky modes on stripe waveguides on asubstrate via prism coupling121 7.13Attenuation of leaky modes on stripe waveguides121 7.14Calculated intensity distribution of SPP stripe wave-guides on a high-index substrate122 7.15Topography and near-field optical images of SPP stripewaveguides123 7.16Cross-cuts through the experimentally observed inten-sity distribution of a SPP stripe waveguide124 7.17SPP guiding along metal nanowires126 7.18Intensity distribution around a metal nanowire127 7.19Focusing energy with a conical nanotaper128 7.20SPP waveguiding in a thin V-groove milled into a metal-licfilm130 7.21SPP channel dropfilter based on V-grooves130 7.22Analytically calculated dispersion relation of metal nanopar-ticle plasmon waveguides132 7.23Finite-difference time-domain simulation of pulse prop-agation in metal nanoparticle plasmon waveguides132 7.24Near-field coupling in a nanoparticle waveguide con-sisting of silver rods133 7.25Local excitation and detection of energy transport inmetal nanopartice plasmon waveguides134 7.26Fluorescent monitoring of energy transport in metal nanopar-ticle plasmon waveguides135 7.27Dispersion and mode profile of SPPs on a metal nanopar-ticle plasmon waveguide operating in the near-infrared1367.28Fiber-taper coupling to a metal nanoparticle plasmonwaveguide for investigation of its transversefield profile137 7.29Quantification of power transfer from afiber taper to ametal nanoparticle plasmon waveguide1377.30Overcoming propagation loss via gain media1398.1Transmission of light through a circular aperture in aninfinitely thin opaque screen1428.2Transmission spectrum of normally-incident light througha silver screen perforated with an array of square holes1458.3Dispersion relation of grating-coupled SPPs onfilmsperforated with an array of apertures146 8.4Transmission of light through a single circular aperturesurrounded by concentric rings to facilitate phase-matching147 8.5Schematic of a slit aperture surrounded by parallel grooves148 8.6Dependence of the transmittance through a slit apertureon the number of surrounding grooves149 8.7Control of re-emission from a circular aperture via exitsurface patterning150 8.8Control of re-emission from a slit aperture via exit sur-face patterning151 8.9Schematic and micrograph of the exit surface of a screenwith a single slit aperture surrounded by parallel grooves152 8.10Theoretically determined beam profiles for a slit aper-ture surrounded by parallel grooves152 8.11Transmission of light through a single sub-wavelengthhole in aflat screen154 8.12Electron-beam induced surface plasmon excitation andemission of light at a single aperture155 8.13Transmission through a single rectangular aperture in aperfectly conducting metalfilm155 8.14Electricfield enhancement at a single rectangular aper-ture in a perfectly conducting metalfilm156 9.1Schematic depiction of Raman scattering andfluorescence161 9.2Localfield enhancement on a rough metal surface166 9.3Field hot-spots at the junction of two metallic semicylinders166 9.4SERS in nanovoids on a structured metalfilm167 9.5Crescent moon nanoparticles with sharp tips forfieldenhancement168 9.6SERS using metal nanowires in a porous template1699.7Calculatedfield enhancement at a sharp metal tip fornear-field Raman spectroscopy170 9.8Calculated enhancement and quenching of thefluores-cent emission of a single molecule near a gold sphere172 9.9Experimental setup for the study of enhanced single-moleculefluorescence172 9.10Emission rate and near-field images of afluorescentmolecule near a gold sphere1739.11Enhanced luminescence of gold nanoparticles17410.1Setup for single-particle spectroscopy using evanescentexcitation via total internal reflection at a prism179 10.2Shift of particle plasmon resonance detected using prismexcitation180 10.3Experimental setup for white light near-field opticaltransmission spectroscopy of single metallic particles181 10.4Near-field imaging and spectroscopy using near-fieldsupercontinuum illumination182 10.5Experimental setup and collected spectra for dark-fieldoptical spectroscopy of metal nanoparticles183 10.6Monitoring of a biological binding event on a gold nanopar-ticle using dark-field microscopy183 10.7Experimental setup for photothermal imaging of verysmall nanoparticles185 10.8Scattering,fluorescence and photothermal images ofcells with and without incorporated gold nanoparticles185 10.9Cathodoluminescence imaging and spectroscopy186 10.10Collection of light scattered by a single metal nanopar-ticle using an opticalfiber187 10.11Scattering spectra of a single metal nanoparticle in var-ious solvents collected using an opticalfiber187 10.12Experimental setup for differential ellipsometric detec-tion of refractive index changes using SPPs on a metalfilm excited via prism coupling189 10.13Polarization rotation with varying index of refractiondue to changes in SPP dispersion on a metalfilm189 10.14A typical SPPfiber sensor190 10.15Detection of changes in refractive index using a SPPfiber sensor191List of Figures xvii11.1A split ring resonator for engineering the magnetic per-meability of a metamaterial19511.2Metamaterial working at optical frequencies based onpairs of gold nanorods19711.3Real and imaginary part of the refractive index of agold nanorod-pair metamaterial19711.4Planar negative-index lens19811.5Schematic of an optical superlens experiment19911.6Imaging with a silver superlens200ForewordIt was the autumn of1982and myfinal year undergraduate project was on surface plasmons.I had no idea that this topic would still have me fascinated almost a quarter of a century later,let alone have become a life-time career. Time really doesfly.The invitation to write a foreword to this book with the instruction that it include a historical perspective set me thinking of my own first encounter with surface plasmons.My project supervisor was Roy Sambles -little did I realise how lucky I was.Without knowing it I became hooked on physics;not just studying it but doing it-I was off.Thefield of surface plasmons has changed enormously in the intervening years;indeed,in its new guise as plasmonics,interest has soared and many more people have joined the field.But for those new to the topic,where to begin?A good book can act as a guide and companion-it can make all the difference.When I started in1982 the newest book was a monster,a compilation called"Electromagnetic Surface Waves",edited by Alan Boardman.Together with Kevin Welford,I had joined Roy Sambles to do a PhD-as beginners we found this book a daunting yet valuable resource–we plundered it,before long the pages became dog-eared and the covers fell off.I left things plasmonic in1986,not to rejoin until 1992.In the meantime Hans Raether published"Surface Plasmons".With his wonderful combination of simplicity and insight,especially in the introduc-tory sections,a classic emerged.Now almost twenty years later it is still very much in use but,inevitably,it has become increasingly out of date as thefield continues to rapidly expand.Whilst several specialist volumes have emerged, we have been acutely aware of the need for a more up-to-date introduction and overview of thefield at a glance.Now we have it-thank you Stefan.But what is plasmonics?"You just have Maxwell’s equations,some material properties and some boundary conditions,all classical stuff-what’s new about that?"Well,would you have predicted that just by imposing appropriate struc-ture on a metal one could make a synthetic material that would turn Snell’s lawxx Foreword on its head?Or that you could squeeze light into places less that one hundredth of a wavelength in size?No new fundamental particles,no new cosmology-but surprises,adventure,the quest to understand-yes,we have all of those, and more.It seems that four elements underlie research in plasmonics today.Thefirst is the ready availability of state-of-the-art fabrication methods,particularly for implementing nanostructure.Second,there are a wealth of high-sensitivity optical characterisation techniques,which one can buy pretty much off-the-shelf.Third,the rapid advance in computing power and speed have allowed us to implement powerful numerical modelling tools on little more than a lap-top computer.The fact that many researchers can gain access to these things enables the expansion of thefield of plasmonics,but what has motivated that expansion?The cynic might argue fashion.However,the fourth element,the one miss-ing from the list above,is the wide range of potential applications-solar cells, high-resolution microscopy,drug design and many more.Applications are in-deed strong motivators,but I think there is more to it than that.I know I am biased,but for me and I suspect many others it’s the adventure,the role of the imagination,the wish to be the one tofind something new,to explain the unex-plained-in short its science,simple as that.Perhaps amazingly there are still many topics in which one can do all of these things without the need to observe gravity waves,build particle accelerators,or even work out how the brain that loves to do such things works.Plasmonics is one of those small-scale topics where good people can do interesting things with modest resources,that too is one of the lures.Roughly speaking thefield is a hundred years old.Around the turn of the last century the same four elements as described above applied-albeit in a different way.The relevant state-of-the-art fabrication was that of ruled diffraction grat-ings,optical characterisation was provided by the same gratings-to give putation was based on,among others,Rayleigh’s work on dif-fraction and Zenneck’s and Sommerfeld’s work on surface waves-all analyt-ical,but still valuable today.There was in addition an improved understanding of metals,particularly from Drude’s treatment.So what was missing?Perhaps most importantly these different activities were not really recognised as hav-ing a commonality in the concept of surface plasmons.Now we are in a very different situation,one in which the relevant underlying science is much better understood-but where,as we continue to see,there are still many surprises.Looking back it seems clear that the1998paper in Nature by Thomas Ebbe-sen and colleagues on the extraordinary transmission of light through metallic hole-arrays triggered many to enter thefield.With an avalanche of develop-ments in spectral ranges from the microwave,through THz,IR and visible,and into the UV the need for an entry point has become more acute.Well,here it is.Foreword xxi It can’t possibly be comprehensive,but Stefan Maier’s addition gives an up-to-date introduction and a great overview of the present situation.Who knows what new concepts might emerge and where the important applications will be?Maybe none of us know yet,that’s the beauty-it could be you.Bill Barnes,School of Physics,University of Exeter,June2006PrefacePlasmonics forms a major part of the fascinatingfield of nanophotonics, which explores how electromagneticfields can be confined over dimensions on the order of or smaller than the wavelength.It is based on interaction processes between electromagnetic radiation and conduction electrons at metallic inter-faces or in small metallic nanostructures,leading to an enhanced optical near field of sub-wavelength dimension.Research in this area demonstrates how a distinct and often unexpected be-havior can occur(even with for modern optical studies seemingly uninteresting materials such as metals!)if discontinuities or sub-wavelength structure is im-posed.Another beauty of thisfield is that it isfirmly grounded in classical physics,so that a solid background knowledge in electromagnetism at under-graduate level is sufficient to understand main aspects of the topic.However,history has shown that despite the fact that the two main ingre-dients of plasmonics-surface plasmon polaritons and localized surface plas-mons-have been clearly described as early as1900,it is often far from trivial to appreciate the interlinked nature of many of the phenomena and applications of thisfield.This is compounded by the fact that throughout the20th century, surface plasmon polaritons have been rediscovered in a variety of different contexts.The mathematical description of these surface waves was established around the turn of the20th century in the context of radio waves propagating along the surface of a conductor offinite conductivity[Sommerfeld,1899,Zenneck, 1907].In the visible domain,the observation of anomalous intensity drops in spectra produced when visible light reflects at metallic gratings[Wood,1902] was not connected with the earlier theoretical work until mid-century[Fano, 1941].Around this time,loss phenomena associated with interactions tak-ing place at metallic surfaces were also recorded via the diffraction of electron beams at thin metallic foils[Ritchie,1957],which was in the1960s then linked with the original work on diffraction gratings in the optical domain[Ritchiexxiv Preface et al.,1968].By that time,the excitation of Sommerfeld’s surface waves with visible light using prism coupling had been achieved[Kretschmann and Raether,1968],and a unified description of all these phenomena in the form of surface plasmon polaritons was established.From then on,research in thisfield was sofirmly grounded in the visible region of the spectrum,that several rediscoveries in the microwave and the ter-ahertz domain took place at the turn of the21st century,closing the circle with the original work from100years earlier.The history of localized surface plas-mons in metal nanostructures is less turbulent,with the application of metallic nanoparticles for the staining of glass dating back to Roman times.Here,the clear mathematical foundation was also established around1900[Mie,1908].It is with this rich history of thefield in mind that this book is written.It is aimed both at students with a basic undergraduate knowledge in electromag-netism or applied optics that want to start exploring thefield,and at researchers as a hopefully valuable desk reference.Naturally,this necessitates an exten-sive reference section.Throughout the book,the original studies described and cited were selected either because they provided to the author’s knowledge the first description of a particular effect or application,or due to their didactic suitability at the point in question.In many cases,it is clear that also different articles could have been chosen,and in some sections of the book only a small number of studies taken from a pool of qualitatively similar work had to be selected.Thefirst part of this text should provide a solid introduction into thefield, starting with an elementary description of classic electromagnetism,with par-ticular focus on the description of conductive materials.Subsequent chapters describe both surface plasmon polaritons and localized plasmons in the visible domain,and electromagnetic surface modes at lower frequencies.In the sec-ond part,this knowledge is applied to a number of different applications,such as plasmon waveguides,aperture arrays for enhanced light transmission,and various geometries for surface-enhanced sensing.The book closes with a short description of metallic metamaterials.I hope this text will serve its purpose and provide a useful tool for both current and future participants in this area,and will strengthen a feeling of community between the different sub-fiments and suggestions are very much appreciated.Stefan MaierAcknowledgmentsI wish to thank my colleague Tim Birks for all his efforts in proof-reading an early draft of this book and his helpful criticism,and David Bird for his encouragement to undertake this project.Thanks also to my student Charles de Nobriga for working through a more advanced version of this text,and of course to my wife Mag for all the lovely distractions from writing...。