表面等离子体激元研究现状及应用
表面等离子体共振原理及其化学应用
表面等离子体共振原理及其应用李智豪1.表面等离子体共振的物理学原理人们对金属介质中等离子体激元的研究, 已经有50多年的历史。
1957年Ritchie发现, 高能电子束穿透金属介质时, 能够激发出金属自由电子在正离子背景中的量子化振荡运动, 这就是等离子体激元。
后来,人们发现金属薄膜在入射光波照射下, 当满足特定的条件时, 能够激发出表面等离子体激元, 这是一种光和自由电子紧密结合的局域化表面态电磁运动模式。
由于金属材料的吸收性质,光波沿金属表面传播时将不断被吸收而逐渐衰减, 入射光波的能量大部分都损耗掉了, 造成反射光的能量为最小值, 这样就把反射光谱的极小值与金属薄膜的表面等离子体共振联系了起来。
1.1 基本原理[1]光与金属物质的相互作用主要是来自于光波随时间与空间作周期性变化的电场与磁场对金属物质中的电荷所产生的影响,导致电荷密度在空间分布中的变化以及能级跃迁与极化等效应,这些效应所产生的电磁场与外来光波的电磁场耦合在一起后,表达出各种不同光学现象。
等离子体是描述由熔融状态的带电离子所构成的系统,由于金属的自由电子可当作高密度的电子流体被限制于金属块材的体积范围之内,因此亦可类似地将金属视为一种等离子体系统。
当电磁波在金属中传播时,自由电子会随着电场的驱动而振荡,在适当条件下,金属中传播之电磁波其电场振荡可分成两种彼此独立的模态,其中包含电场或电子振荡方向凡垂直于电磁波相速度方向的横波模态,以及电场或电子振荡方向凡平行波的传播方向纵波模态。
对于纵波模态,自由电子将会沿着电场方向产生纵向振荡的集体运动,造成自由电子密度的空间分布会随时间之变化形成一种纵波形式之振荡,这种集体运动即为金属中自由电子之体积等离子体振荡。
金属复介电常数的实部相对其虚部来说,往往是一个较大的负数,金属的这种光学性质,使金属和介质的界面处可传输表面等离子波,使夹于两介质中间的金属薄膜可传输长程表面等离子波。
这两类表面波具有不同于光导波的独特性质,例如,有效折射率的存在范围大、具有场的增强效应等。
表面等离子激元在太阳能电池中的应用及优化探讨
表面等离子激元在太阳能电池中的应用及优化探讨第一章：引言表面等离子激元（Surface Plasmon Resonance，SPR）是一种在金属与介质交接面上激发的光学激元，具有极高的光学增强效应和波导性质。
近年来，SPR在太阳能电池领域得到了广泛的应用和研究，主要是通过SPR的光电转换作用提高光电转换效率，从而提升太阳能电池的性能。
本文将就表面等离子激元在太阳能电池中的应用及优化探讨，进行详细的介绍和分析。
第二章：表面等离子激元的基本原理及研究现状2.1 表面等离子激元的基本原理表面等离子激元是一种固体表面上电磁波与金属表面自由电子的相互作用，当波长和介质折射率与金属表面的等离子体密度、金属种类和形状相匹配时，将会激发出强烈的表面等离子激元共振。
在表面等离子激元共振时，光被紧密包裹在金属表面上，形成高密度的电磁场，对于溶液中的吸附分子和氧化还原反应具有极强的增强效应。
此外，可通过适当的金属形状和粒径调控表面等离子激元的性质，构建具有波导效应的光电材料。
2.2 研究现状SPR技术已被广泛应用于传感器、生物芯片、吸附分离、光催化等领域。
在太阳能电池方面，通过SPR的光电转换效应提高了太阳能电池的性能。
目前，学者们主要探讨了基于纳米颗粒、纳米管、纳米片等具有扩大SPR范围和增强SPR效应的光电材料，并在此基础上进行了太阳能电池的制备和性能测试。
第三章：表面等离子激元在太阳能电池中的应用3.1 提高太阳能电池器件的光电转换效率太阳能电池掺杂有纳米金属颗粒/纳米纹理的电极，可实现SPR 的光电转换效应，在太阳辐射下提高光电池的光吸收率和光电转换效率。
在理论和实验上都证明了此技术的有效性。
3.2 调控太阳能电池器件的能带结构通过SPR的局域电场效应和光催化效应，可调控太阳能电池器件的电子结构和能带结构，提高电荷分离效率、电荷传输效率和光电转换效率，达到优化太阳能电池性能的目的。
3.3 提高太阳能电池器件的稳定性通过SPR技术，可对太阳能电池器件表面进行金属染色，增加氧化还原反应（ORR）活性中心，提高ORR反应速率，从而提高器件的稳定性和使用寿命。
等离子体技术在科学研究中的应用与前景
等离子体技术在科学研究中的应用与前景等离子体是一种高温、高能量的物态。
它的能量密度非常高，能够产生强烈的光、电、磁等效应，因此在科学研究中有着广泛的应用前景。
下面，我们就来探究一下等离子体技术在科学研究中的应用与前景。
一、等离子体技术在材料科学中的应用1.等离子体表面处理技术等离子体表面处理技术被广泛应用于材料表面的改性和增强。
等离子体处理可以通过改变表面的化学和物理性质，使材料的表面具有更好的柔性、防腐蚀性、耐磨性、热稳定性等特性。
目前，等离子体表面处理技术已经应用于航空航天、汽车制造、电子、医疗器械等行业。
2.等离子体辅助材料合成技术等离子体辅助材料合成技术可以通过等离子体的化学反应和沉积过程，在材料表面或内部形成纳米颗粒、薄膜、涂层等新型材料。
这些材料具有独特的光、电、磁性能，对于新型电子器件和催化剂等方面有着很大的应用前景。
3.等离子体放电合成技术等离子体放电合成技术是在等离子体的作用下，在气体中合成具有特殊功能的纳米材料。
例如，利用等离子体放电技术可以制备出一系列的纳米颗粒，如氧化铁、氧化钼、氮化硅等，这些粒子主要用于高分子复合材料、显示器件、感应器、化学传感器等领域。
二、等离子体技术在能源领域中的应用1.等离子体温度计等离子体温度计是在等离子体的辐射发射光谱法基础上发展的。
它能够测量高温、高能量等离子体的温度。
这种技术可以应用于热核聚变等领域。
2.等离子体离子源等离子体离子源可以作为高能量离子束的加速器，应用于核物理、材料学等领域。
它可以生产出高能量的粒子束，用于材料表面的改性，或用于核物理实验。
这种技术在核聚变反应堆中也有着广阔的应用前景。
三、等离子体技术在生物医学中的应用1.等离子体治疗技术等离子体治疗技术是一种新型的医学治疗方法。
它利用等离子体的化学反应、放电等特性，对生物组织进行疗效处理。
这种技术可以应用于各种肿瘤、细胞排异等治疗中。
2.等离子体消毒技术等离子体消毒技术可以在不使用化学药品的情况下，快速有效地消毒。
表面等离激元技术在传感领域中的应用
表面等离激元技术在传感领域中的应用随着科技的不断进步，传感器技术的广泛应用改变了我们的生活方式。
作为一种新兴而且快速发展的技术，表面等离激元技术在传感领域中的应用也越来越受到人们关注。
本文将介绍表面等离激元技术的基本原理和应用于传感领域中的优势，以及目前一些典型的传感器的实际应用情况。
一、表面等离激元技术的基本原理表面等离激元技术是一种基于表面等离子体共振原理的物理现象。
在这种现象中，当电磁波遇到一种金属表面时，它会产生一系列了相干的电子激发状态，并产生等离子体波。
这种表面等离激元简称为SPP。
SPP具有在金属表面上存在，垂直于表面传播的性质。
表面等离激元技术通过利用这种现象，使电磁波与金属表面上的等离激元相互作用，从而可实现高灵敏度的传感。
表面等离激元技术主要通过两种方法实现：基于与表面等离激元耦合的光学激发和基于表面等离激元共振的物理激发。
二、表面等离激元技术在传感领域中的优势由于其高灵敏度、快速响应、非侵入性和选择性等特点，表面等离激元技术成为了传感器领域中非常重要的技术手段。
相比于传统的机械传感器和电磁传感器，表面等离激元传感器具有以下几个优势。
1.高灵敏度：表面等离激元技术可以实现纳米级别的检测精度。
当波长与SPP的共振波长相等时，SPP将在表面被激发，从而产生强烈的电磁场信号。
这种特性可以被用来检测非常小的物质变化或者微小的物理特性变化。
2.非侵入性：表面等离激元技术可以通过非侵入性的方法实现检测。
相比于传统的传感器，表面等离激元传感器无需直接接触被检测样本，因此对样本的污染小、损伤少。
3.快速响应：表面等离激元技术在感应作用下产生了强烈的电磁场信号，可以快速响应物质的变化。
响应速度比传统传感器更快。
4.选择性：表面等离激元技术可以通过合适的表面修饰、特定的感光层和吸附层的选择等手段实现特定样品的选择性识别。
三、表面等离激元技术已经被广泛应用于生物医学、环保、军事和食品安全等领域。
以下将介绍一些典型的传感器的实际应用情况。
等离子体科学及其应用研究
等离子体科学及其应用研究随着科技的进步和经济的发展，等离子体科学已成为一个热门的研究领域，其应用范围也日渐广泛。
本文将从什么是等离子体、等离子体应用、等离子体科学研究现状以及未来展望等方面进行介绍和探讨。
一、什么是等离子体？等离子体是由大量带电粒子构成的一种高温、高能态的物态，其特点是具有良好的导电性、磁化性和辐射性。
等离子体广泛存在于自然界中，如极光、电晕、太阳和星际空间中的等离子体云等。
在工业生产和科学研究中，等离子体也有广泛的应用。
二、等离子体应用1. 等离子体应用于材料处理：等离子体技术可以用于表面改性、单原子层制备、纳米结构制备等领域，特别是对于传统材料表面活性的提高，使得其性能得到了很大提升，比如用于涂层、防腐等领域。
2. 等离子体应用于环保：等离子体技术可以对污染物进行高效处理，如用等离子体技术制备光催化剂，可以在光催化反应中去除大气中的有害气体，实现空气净化。
3. 等离子体应用于半导体行业：等离子体技术是半导体行业中制备少杂质晶体的重要工艺之一。
特别是在纳米制备方面，等离子体技术为制备低维量子点、纳米线等提供了重要的方法和手段。
4. 等离子体应用于物理研究：等离子体物理除了具有基础研究价值外，还是热核聚变、宇宙物理、天体物理和磁约束聚变等领域的基础。
并且等离子体过程的本质也是研究其他领域普遍存在的非平衡过程的理论和实验基础。
三、等离子体科学研究现状目前，等离子体科学的研究已经形成了一定规模，所研究的问题也日益复杂，其主要的研究方向包括等离子体基础物理研究、等离子体与材料界面的相互作用、等离子体科学技术等。
近年来，等离子体理论与数值模拟的研究已经得到了长足发展，不仅进一步理论了等离子体的机制，还发现了一些新的等离子体现象和机制。
同时，理论模拟也为实验提供了很好的预测和导向，使得实验研究取得了突破性进展。
四、未来展望随着现代科技的发展，等离子体的应用领域将不断拓展。
同时，等离子体的理论和数值模拟也将不断深入，其在生物、医药等领域的应用也将逐步得到开发和应用。
表面修饰对金纳米粒子表面等离子激元共振现象的影响
表面修饰对金纳米粒子表面等离子激元共振现象的影响近年来, 金纳米粒子作为具有特殊表面等离子激元共振(SPR)效应的材料, 在化学、光学、电子等领域得到广泛应用。
然而, 纳米材料表面容易受到周围环境干扰和污染, 表面的修饰也会对其SPR效应产生一定的影响。
一、SPR现象及其在金纳米粒子中的应用SPR效应是一种在金属表面上发生的特殊电子共振现象, 在特定波长下会引起光的衰减和反射。
在纳米金颗粒上, 等离子激元共振(SPR)现象产生的位置和强度取决于金纳米颗粒的大小、形状、材料以及环境等因素。
SPR效应在光学传感、太阳能电池、热成像和生物成像等领域有着广泛的应用。
二、纳米材料表面修饰的现状在应用中，金纳米颗粒表面往往需要进行修饰，以增强其稳定性、增大其表面积、改善其光催化性能、增强其生物相容性等。
修饰方法包括化学修饰、物理修饰、生物修饰等多种方法，如化学还原、方法，溶剂热法等。
表面修饰可以使金纳米颗粒表面引入不同的官能团，改变其功函数，影响其SPR效应。
因此, 表面修饰对金纳米粒子的SPR效应具有重要的影响。
三、表面修饰对金纳米粒子SPR效应的影响(一)功能化修饰对SPR效应的影响功能化修饰可以使金纳米颗粒表面具有不同的化学活性团，如硫基、羧基、胺基、磷基、甲酸基等。
不同功能团的引入可以通过吸附作用调节表面电荷密度，并改变其SPR响应。
研究表明, 当硫基与金表面形成S-Au键后, 使金纳米粒子产生较重的SPR吸收峰并且其位置发生红移。
(二)材料对SPR效应的影响金以外的其他材料（如CdS、Au/Ag、TiO2）往往作为金纳米颗粒的包膜或掺杂体系，形成复合体系，可以调节金纳米颗粒的大小、形状以及电子传输性质，改变SPR效应。
研究发现, 添加CdS纳米微棒可以使金颗粒的SPR峰红移，说明CdS的引入调控了其SPR效应。
(三)形态与晶面对SPR效应的影响金纳米颗粒的形态、晶面和粒径等因素对其SPR效应产生显著影响。
表面等离子体共振传感技术的研究与应用
表面等离子体共振传感技术的研究与应用一、前言表面等离子体共振传感技术（Surface Plasmon Resonance，SPR）是一种基于光波与表面等离子体耦合的物理现象，具有高灵敏度、实时监测和在线检测等优点，在生化分析、医药检测、食品安全等领域得到广泛应用。
本文将对表面等离子体共振传感技术的基本原理、研究进展和应用现状进行探讨。
二、基本原理表面等离子体是指在金属表面与介质中的交界处形成的电磁波，其电磁场分布减弱得越来越快，从而被限制在膜面附近。
当金属薄膜的厚度为几纳米级别时，能量的耗散会在金属和介质交界面上引起吸收和反射。
这种吸收和反射现象被称为表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，SPR），在外部光照射的情况下，表面等离子体共振的发生与否取决于纳米层的折射率变化。
SPR传感技术是一种利用光与金属表面上的等离子激元作用来检测分子间相互作用的方法。
具体而言，它通过检测分子与金属表面上生物分子之间的相互作用引起的表面等离子体振荡频率的变化，来实现生物分子、药物、化学物质等的高灵敏度检测。
三、研究进展SPR传感技术自1990年代出现以来，就备受科学家的关注。
内外部环境的因素变化（如温度、纳米颗粒形状、金属薄膜厚度等）都能对SPR传感器的检测灵敏度产生显著影响。
因此，研究SPR传感技术的制备、优化与改进显得尤为重要。
如今，研究人员通过对传感器材料、膜层的结构调整，利用奈米纳米颗粒增加传感器灵敏度，通过微电子制造技术对传感器芯片进行微加工等方法，提高了SPR传感技术的精度与检测范围。
同时，生物分子的特异性识别也是SPR传感技术的研究热点之一。
通过制备多种专一性高、稳定性好的生物识别元件，研究者不断探索着SPR传感技术的临床应用。
四、应用现状SPR传感技术在药物开发、食品安全监测、环境污染检测、基因诊断等领域都得到了广泛应用。
以药物开发为例，SPR技术可以用来研究药物与受体之间的相互作用。
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。
局域化表面等离子体共振的研究与应用
局域化表面等离子体共振的研究与应用局域化表面等离子体共振技术是一种近几年来比较热门的研究领域，在生物传感和化学传感等领域有着非常广泛的应用。
本文将重点阐述局域化表面等离子体共振的原理、研究现状以及应用前景等方面。
一、局域化表面等离子体共振的原理局域化表面等离子体共振技术是基于表面等离子体共振（surface plasmon resonance，SPR）的一种新方法，在局部区域内引入了局部场增强效应，使得在该区域内样品和膜层的生物分子与传感分子之间的相互作用更加明显。
与传统表面等离子体共振相比，局域化表面等离子体共振更具有灵敏度和选择性，并且更适合于微小样品的检测。
局域化表面等离子体共振的原理是通过利用表面等离子体激元在金属表面上传播的特性，实现对样品中各种生物分子、化学分子的检测。
在实际应用中，局域化表面等离子体共振一般采用纳米孔阵列表面的结构，由于纳米孔阵列结构表现出局域化场增强效应，调制出随着探测物体到来的局部场增强，这样可以使得探针的生物分子或化学分子与样品分子结合时更容易检测到。
二、局域化表面等离子体共振的研究现状目前，局域化表面等离子体共振技术的研究方向主要集中在两个层面上，一是改变纳米孔阵列结构和材料的组成，探索新的局域化表面等离子体共振结构；另一个方向则是优化局域化表面等离子体共振技术的性能，提高其检测灵敏度和可重复性。
改变结构和材料的组成是近年来局域化表面等离子体共振技术的一个热点研究方向，通过探索新的结构和材料，可以优化局域化表面等离子体共振技术的性能。
近年来研究者们展开了一系列的实验，包括采用正方形、三角形等不同形状的纳米孔阵列来探究对于局域化表面等离子体共振性能的影响，以及探究在局域化表面等离子体共振中使用银或铝等不同材料的影响。
实验结果表明，采用银或铝作为局域化表面等离子体共振材料可以大幅提高其检测灵敏度，而采用不同形状的纳米孔阵列可以探索细微的结构影响，从而优化局域化表面等离子体共振技术。
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。
表面等离子体光谱技术的研究及应用
表面等离子体光谱技术的研究及应用表面等离子体光谱技术是一种基于表面等离子体共振现象的光学分析技术，具有高灵敏度、高分辨率、无需标记物和实时检测等优点。
近年来，该技术已广泛应用于生物医药、环境监测、化学分析等领域。
一、表面等离子体共振现象表面等离子体共振现象是指当一束光从空气或真空中射入具有导电性表面的介质时，会与表面自由电子相互作用，产生一种表面等离子体波，这种波以特定的频率和极化方式传播，并通过反向散射或透射光信号的变化来反映介质的性质和分布。
二、表面等离子体光谱技术的原理表面等离子体光谱技术是基于上述表面等离子体共振现象的一种光学分析方法，其原理可以简单地概括为：利用金属或半导体表面的等离子体共振现象，通过改变入射光束的极化角度、波长和强度等参数，分析表面吸附物质在介电质表面上的性质和分布情况。
三、表面等离子体光谱技术的研究进展表面等离子体光谱技术最早由美国科学家Kretschmann和Otto在20世纪60年代提出，并在随后的几十年里得到了迅速发展。
目前，该技术已经广泛应用于生物医药、环境监测、化学分析等领域，例如：1、生命科学领域表面等离子体光谱技术可以用来研究生物分子在固体表面上的吸附行为、分子结构和构象变化等重要问题，为生物分子间相互作用的研究提供了新的途径和手段。
2、环境监测领域表面等离子体光谱技术可以用来分析水中有机和无机污染物的浓度和组成，检测水中微量金属离子的存在及其浓度等，为环境监测和水处理提供了重要的分析手段。
3、化学分析领域表面等离子体光谱技术可以用来研究各种化学反应的动力学过程、酶促反应的速率和机制等，重要的成果包括：催化反应的机理研究、生物芯片技术以及基于表面等离子体共振的化学传感器等。
四、表面等离子体光谱技术的局限性表面等离子体光谱技术虽然具有高灵敏度和高分辨率等优点，但是也存在着一些局限性，例如：1、只适用于介电常数大于1的样品；2、需要专业设备和较高的技术操作；3、对样品的形状和结构有一定的限制，不能检测深层样品；4、测量结果易受温度、湿度等因素的影响。
表面等离子体激元纳米激光器技术及应用研究进展
表面等离子体激元纳米激光器技术及应用研究进展陈泳屹;佟存柱;秦莉;王立军;张金龙【摘要】Conventional semiconductor lasers suffer from the scale of the diffraction limit due to the light to be confined by the optical feedback systems. Therefore, the scales of the lasers cannot be miniaturized because their cavities cannot be less than the half of the lasing wavelength. However, lasers based on the Surface Plas- mon Polaritons(SPPs) can operate at a deep sub-wavelength, even nanometer scale. Moreover, the develop- ment of modern nanofabrication techniques provides the fabrication conditions for micro - or even nanometer scale lasers. This paper reviews the progress in nano-lasers based on SPPs that have been demonstrated re-cently. It describes the basic principles of the SPPs and gives structures and characteristics for several kinds of nanometer scale lasers. Then, it points out that the major defects of the nanometer scale lasers currently are focused on higher polariton losses and the difficultiesin fabrication and electronic pumping technologies men- tioned above. Finally, the paper considers the research and application prospects of the nanometer scale lasers based on the SPPs.%传统半导体激光器由于采用光学系统反馈而存在衍射极限，其腔长至少是其发射波长的一半，因此难以实现微小化。
基于表面等离子体激元的新型太赫兹波导的研究
一、概述近年来，随着太赫兹技术的飞速发展，新型太赫兹波导作为太赫兹波传输和调控的重要组成部分，受到了广泛关注。
基于表面等离子体激元的新型太赫兹波导因其在太赫兹波段具有优异的传输性能和调控能力，成为了研究热点。
本文旨在系统性地介绍基于表面等离子体激元的新型太赫兹波导的研究现状和发展趋势。
二、基于表面等离子体激元的太赫兹波导概念1. 表面等离子体激元简介表面等离子体激元是一种束缚在金属表面上的电磁波，其能量随着波长的减小而增大，具有特征显著的增强光-物质相互作用效应。
在太赫兹波段，表面等离子体激元具有较长的寿命和波长范围广，是理想的太赫兹波导材料。
2. 基于表面等离子体激元的太赫兹波导概念基于表面等离子体激元的太赫兹波导是利用金属表面等离子体激元作为传输介质，实现太赫兹波的导波传输和调控。
通过设计金属结构和激发激元模式，可以实现太赫兹波的高效传输和局域场调控。
三、基于表面等离子体激元的太赫兹波导研究现状1. 表面等离子体激元在太赫兹波段的应用目前，表面等离子体激元在太赫兹波段的应用主要集中在太赫兹波调控、传感、成像和通信等方面。
其在太赫兹波导领域的应用研究也取得了一系列重要进展。
2. 基于表面等离子体激元的太赫兹波导研究进展基于表面等离子体激元的太赫兹波导研究主要包括波导结构设计、波导传输特性、局域场调控和应用等方面。
通过多种传输介质和波导结构设计，实现了太赫兹波导的低损耗、高效率传输和局域场调控等关键技术突破。
四、基于表面等离子体激元的太赫兹波导的关键技术挑战1. 低损耗传输在太赫兹波段，金属材料的电阻损耗是太赫兹波导传输的关键影响因素，如何有效抑制并降低传输损耗是面临的主要技术挑战。
2. 局域场调控实现太赫兹波的局域场调控是基于表面等离子体激元的太赫兹波导的关键技术瓶颈，需要克服波导结构设计、材料选择和激元模式激发等方面的难题。
五、基于表面等离子体激元的新型太赫兹波导的未来发展趋势1. 新型材料的涌现随着太赫兹材料的不断涌现，如石墨烯、二维材料和纳米结构材料等，在太赫兹波导领域的应用将得到进一步拓展。
表面等离子体
表面等离子体表面等离子体是一种有助于多种应用的新兴技术，它已经引起了世界各地的研究者的兴趣。
表面等离子体技术可用于几乎所有工业应用，包括增强材料性能、电子器件制造、半导体制造和涂料等。
本文将阐述表面等离子体的概念、原理和应用，以及它的未来发展趋势。
表面等离子体技术是在近期研究中崭露头角的一项技术，它可以通过特定的频率，在物体表面产生静电场，使表面上的电荷子聚集起来。
在这种技术中，在应用高频电场时，电场能够被物体表面上的电荷散射，从而使表面产生膜状电荷结构。
这种结构可以用来改变物体表面的性能，从而增强和改善物体的性能。
表面等离子体技术的最大优点是在一个宽的时间和温度范围内，可以实现物体表面的改性和表面增强，从而有利于改善物体的耐磨性、耐腐蚀性、抗粘附性和抗热应力强度等性能。
此外，最近开发的表面等离子体技术改善物体表面的光学性能和化学特性。
比如，它可以改变表面的粗糙度，提高投射光束的反射率，增加表面的抗污性和耐腐蚀性，从而减少对表面的污染。
表面等离子体技术可以用于各种应用，最常见的包括电子器件制造、半导体制造、涂层、膜层和表面改性等。
电子器件制造中，表面等离子体技术可以让电路板上的表面更加平滑，避免电路板上出现短路现象。
在半导体制造中，表面等离子体技术可以使半导体表面产生薄膜结构，能够降低晶体管的热电压降，提高半导体元件的效率。
在涂层方面，表面等离子体技术可以增强物体表面的粘度，提高涂层的耐磨性和耐腐蚀性，有助于涂料的附着性。
未来，表面等离子体技术将会继续得到改进。
新的研究将着力于改进等离子体技术的性能，开发更加精细的表面处理技术，开发更精细的表面形貌以提高表面特性，并减少表面微观结构的缺陷。
此外，研究者还将努力研发出能够自动识别表面缺陷的技术，以及改善表面力学性能的新型表面改性技术。
综上所述，表面等离子体是一种有潜力的技术，它的出现改变了近年来材料改性领域的发展趋势，并为许多工业应用提供了可能性。
SPP效应的研究历程与应用现状分析
SPP效应的研究历程与应用现状分析摘要：表面等离子体激元（SPP）具有比较独特的特性，如近场增强、局域受限、短波长等特性，有关SPP的研究越来越广泛，基于表面等离子体激元的元器件也不断呈现，各种SPP器件广泛应用于化学-生物传感等领域。
关键词：表面等离子体激元；SPP效应；应用现状表面等离子体激元（SPP）具有近场增强、局域受限、短波长等比较独特的特性。
在SPP的表面局域特性方面，SPP在垂直于金属表面电场方向的强度呈指数衰减，利用表面局域特性构造表面结构可以降低光学控制的维度，形成二维微纳光学应用。
在SPP的近场增强特性上，金属的介电常数、金属薄膜厚度、表面粗糙程度等决定了场增强的程度。
尤其是人们在研究光与纳米材料相互作用时，研究金属微纳结构中局域表面等离子体的共振是一种重要方法，引起了人们的广泛关注。
这些特性已在光学、化学传感和检测领域均获得了广泛应用。
1表面等离子体激元的研究历程1902年，Wood在实验中用连续光谱的偏振光照射金属光栅时观测到反常的衍射现象并公开进行了描述。
1941年Fano根据表面电磁波在金属和空气界面上的激发对由入射波照射到金属光栅上引起的异常反射现象进行了解释。
1957年，Ritchie发现电子穿过金属薄片时存在“能量降低的”等离子体模式，第一次提出了“金属等离子体”的概念，这种“金属等离子体”可用于描述金属内部电子密度纵向波动。
从此，表面等离子体激元成为了一门表面科学，在相关领域得到越来越多的关注。
随后，Powell等人用实验证实了Ritchie的理论，而Stem等人也研究了“表面等离子共振”的条件。
1968年，Kretchmann和Otto各自利用衰减全反射（ATR）的方法证实存在光激发表面等离子共振现象。
1982年，Nylander和Liedberg在气体检测和生物传感领域中应用了SPR原理。
此后，SPR传感技术迅速发展，基于表面等离子体激元的SPR传感结构设计元器件也不断呈现，各种SPP器件在化学-生物传感等领域得到了广泛应用。
光折变表面波及其在表面等离子体激元长程传播中的应用的开题报告
光折变表面波及其在表面等离子体激元长程传播中的应用的开题报告1. 研究背景表面等离子体激元是电磁波在金属表面上的一种集体激发，具有许多独特性质。
表面等离子体激元的研究已经在太阳能电池、针孔显微镜、分子激光等领域应用广泛。
其中，表面等离子体激元的长程传播是一个重要的问题，因为它可以在波导器件、感应器件等应用中提高传播效率。
干涉仪是研究表面等离子体激元长程传播的一种有效手段。
其中，光折变表面波干涉仪是一种新型实验技术，利用光折变效应来测量表面等离子体激元的传播特性。
光折变表面波干涉仪有很大的优势，包括高分辨率和低成本等优点，因此得到了广泛应用。
2. 研究目的本文旨在研究光折变表面波干涉仪的基本原理和应用，深入探讨它在表面等离子体激元长程传播中的应用，为表面等离子体激元的相关研究提供理论和实验基础。
3. 研究内容本文将围绕以下几个方面展开研究：（1）表面等离子体激元的基本性质和长程传播机制的研究。
（2）光折变表面波干涉仪的原理和构成要素的介绍。
（3）光折变表面波干涉仪的基本操作和测量方法的研究。
（4）利用光折变表面波干涉仪研究表面等离子体激元长程传播的实验结果和分析。
4. 研究意义本文的研究意义在于：（1）深入研究表面等离子体激元的长程传播机制，为其在波导器件、感应器件等应用中提高传播效率提供理论基础。
（2）介绍光折变表面波干涉仪的基本原理和操作方法，为其在表面等离子体激元长程传播中的应用提供实验基础。
（3）研究光折变表面波干涉仪在表面等离子体激元长程传播中的应用，可以为表面等离子体激元相关研究提供新的实验技术和方法。
5. 研究方法本文的研究方法包括文献调研、理论分析和实验研究等。
对表面等离子体激元长程传播机制和光折变表面波干涉仪的基本原理进行理论分析和探讨，同时开展实验研究，利用光折变表面波干涉仪进行表面等离子体激元长程传播的实验，并对实验数据进行分析和研究。
6. 研究限制由于光折变表面波干涉仪技术的应用尚处于发展阶段，其在表面等离子体激元长程传播中的应用还有一定局限性。
等离激元与表面等离子体的研究与应用
等离激元与表面等离子体的研究与应用等离激元与表面等离子体的研究与应用：探索微观世界的神奇引言：人类对于光的研究始终是科学界的热门话题之一。
近年来，随着纳米技术的迅速发展，等离激元和表面等离子体成为了光学研究中的新宠儿。
本文将介绍等离激元的基本概念和表面等离子体的研究现状，同时探讨它们在纳米器件和生物医学等领域的广泛应用。
等离激元的基本概念：等离激元是介质中的电磁场与电子气体之间的耦合模式。
当光通过介质中的金属纳米结构时，会激发出电子和光之间的相互作用，形成体系的共振现象，即等离激元。
等离激元具有纳米尺度的特点，因此在纳米器件中具有广泛的应用前景。
表面等离子体的研究现状：表面等离子体是指光在表面上的等离激元模式，研究表明它在纳米光学、纳米光电子学和生物医学等领域具有重要的应用价值。
目前，研究人员通过纳米制备技术成功地制备出了各种各样的表面等离子体结构，如纳米孔阵列、纳米金字塔和纳米线等。
表面等离子体在纳米器件中的应用：表面等离子体在纳米器件方面的应用意义重大。
以纳米孔阵列为例，研究人员通过控制孔的大小和间距，实现了可调谐的光透过性能，为光电器件的设计提供了新思路。
同时，表面等离子体在传感器和纳米光子学器件方面也有着广泛的应用。
通过利用表面等离子体的局域电场增强效应，可以提高传感器的灵敏度，并实现高度集成的纳米光子学器件的制备。
表面等离子体在生物医学中的应用：表面等离子体在生物医学方面的应用也不容忽视。
研究人员通过结合纳米技术和生物分子的特异性识别，成功地制备出了各种具有生物活性的表面等离子体结构。
这些结构可以用于拓展生物传感器、提高医学诊断技术的灵敏度，甚至实现精确的肿瘤治疗。
表面等离子体在生物医学领域的应用前景非常广阔，将为人们的健康保驾护航。
总结：等离激元和表面等离子体是光学研究中的重要领域，它们在纳米器件和生物医学等领域的应用给人们带来了巨大的想象空间和未来的希望。
通过对等离激元和表面等离子体的深入探索，我们有望打开微观世界的神秘之门，为人类的科学技术发展做出更大的贡献。
等离子体行业研究现状
等离子体行业研究现状等离子体是一种高温高能量的物态，广泛应用于科学研究、工业生产以及医疗领域。
近年来，随着科技的不断发展，等离子体行业也在迅速崛起。
本文将对等离子体行业的现状进行研究，包括其应用领域、技术发展以及市场前景。
一、等离子体的应用领域等离子体在各个领域都有着广泛的应用。
首先，在科学研究领域，等离子体被用于天文学、物理学以及化学等方面的研究。
它在宇宙中的存在对于宇宙起源及演化的研究具有重要意义。
其次，在工业生产中，等离子体被广泛应用于表面改性、材料合成以及能源转化等领域。
例如，等离子体技术可以用于制备纳米材料，提高材料的性能和稳定性。
此外，等离子体还可以用于半导体加工、涂层制备以及环境污染的治理等方面。
最后，在医疗领域，等离子体也有着重要的应用。
等离子体切割技术在眼科手术中得到广泛应用，可以高效且准确地进行眼科手术，提高手术效果。
此外，等离子体在皮肤伤口愈合、疗养、口腔治疗等方面也发挥着重要作用。
二、技术发展现状随着技术的不断发展，等离子体的制备和操控技术也在不断进步。
目前，等离子体技术主要分为热平衡等离子体和非热平衡等离子体两大类。
热平衡等离子体是一种高温高能量的物态，在聚变实验中被广泛应用。
非热平衡等离子体是一种低温等离子体，其温度远低于常温，但具有高能量和高活性。
这种等离子体被广泛应用于材料表面改性、环境治理以及生物医学领域。
在等离子体操控技术方面，利用等离子体技术进行表面改性已经取得了重要进展。
通过改变等离子体参数以及反应气体组分，可以实现对材料表面性能的精确调控。
此外，利用等离子体在材料中引入功能性基团，也成为一种重要的表面改性手段。
三、市场前景展望等离子体行业的发展前景广阔。
目前，等离子体技术已被广泛应用于汽车、电子、医疗、环保等领域，市场需求稳定增长。
尤其是在新能源领域的发展中，等离子体得到了更多的关注。
根据市场调研，全球等离子体行业的市场规模正在不断扩大。
2019年，全球等离子体行业市场规模达到了176.6亿美元，并且预计在2026年将达到299.9亿美元。
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。
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. 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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。
它既具有光子学的速度，又具有电子学的尺度，能够在亚波长结构中对光进行约束和操控，被喻为目前最有希望的纳米集成光子器件的信息载体。
目前，SPPs 光波导、亚波长孔径的增强透过现象以及光控高速光开关从实验和理论上都得到了广泛的论证。
伴随着纳米科技的蓬勃发展，许多有趣的表面等离子体光学器件不断向前推进，在各个领域发挥着越来越重要的作用。
1SPPs 的基本特性表面等离子体激元是指光子与金属表面的自由电子相互作用而被俘获，外来光子电磁场激发引起金属中电荷密度涨落产生的电磁模式，它沿着金属表面传播，是一种倏逝表面波，满足麦克斯韦方程[2]。
图1 表面等离子体激元在金属与介质表面附近的电荷震荡示意图 如图1所示，在一个平坦的半无限金属表面，假定金属与介质的界面位于yz 面，x=0，而法线方向为x 轴。
入射光的磁场沿y 轴方向入射到界面上，表面等离子体激元沿z 轴方向传播，x ＞0的区域是真空或者其他介电材料，其介电常数为ε1；x ＜0 的区域为金属，其介电常数为ε2，金属的介电常数的实部是负值，即 Re(ε2)＜0。
介质(或真空) 和金属中的电场分别为 E 1和 E 2，磁场分别为 H 1和 H 2，波矢分别为 k 1和 k 2，表面等离子体激元波矢为k spp ，真空中的波矢为 k 0，根据麦克斯韦方程，设定电磁场的形式如下:在x ＞0 区域:()()z k x k i z x e H H 110,,01+= （1）()()z k x k i z z x eE E E 111x 11,0,+= （2）有：212011z x k k k -=ε （3）同理，在 x ＜0 区域:()()z k x k i z x e H H 110,,02+= （4） ()()z k x k i z z x eE E E 222x 22,0,+= （5） 222022-z x k k k -=ε （6）利用电场的切向分量在边界上连续有:spp z z k k k ==21 （7）电场由麦克斯韦方程确定:E ik H ε0-=⨯∇ （8）于是有，在 x =0 处，02211=+εεxxk k （9）由式(3) 、(6) 、(7) 、(9) ，消去 k 1x 和k 2x 可得:21210εεεε+=k k spp （10）注意到，金属的ε2＜0，|ε2+ε1|＜|ε2|，因此，k spp ＞k 0。
介电材料中，k 21x ＜0，k 1x 为虚数；在金属中，因为ε2＜0，所以有 k 22x =ε2，k 20－k 2spp ＜0。
由此可以推断出，表面等离子体激元在垂直金属表面+x 和－x 两个方向上无论是穿透介质(真空)还是金属，都是以指数衰减，只能沿着表面传播[3]。
用表面等离子体激元的这种特性，制作一些金属的纳米结构，可以使光子耦合成为表面等离子体激元，并限制在纳米尺度的金属表面，从而极大地压缩电磁场在空间上的分布尺度。
2 SPPs 的激发和仿真方法由于SPPs 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)采用棱镜耦合，比较常用的有Otto 方式和Kretschmann 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3种： （1）时域有限差分法（finitedifference 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）有限元法（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。
3 SPPs的应用3.1表面等离子体激元纳米激光器利用表面等离子体激元的特性，制作一些金属的纳米结构，可以使光子耦合成为表面等离子体激元，并限制在纳米尺度的金属表面，从而极大地压缩电磁场在空间上的分布尺度。
述理论为实现纳米激光器提供了理论基础在基于表面等离子体激元的纳米激光器中，增益介质的作用依然提供光增益和粒子数反转。
电子空穴对( 激子) 被外界能量泵浦激发后，在激子能级跃迁的复合过程中，靠近金属表面的电子跃迁更多地耦合成为表面等离子体激元，从而沿着金属表面传播，而不形成光子，这就是黑暗模式( dark mode) 。
黑暗模式沿着金属与介质的界面传输而没有辐射损耗，换言之，表面等离子体激元激光器产生相干强近场而不必辐射光子，不能通过远场方式观测。
由于该模式耦合成为表面等离子体激元的自发辐射，没有向外界辐射光子，因此可以用来提供噪声很小的光学放大和较大的损耗补偿。
通过打破纳米结构的对称性可以使得表面等离子体激元从黑暗模式转变为发光模式。
表面等离子体激元在金属纳米结构附近共振可以导致自发辐射增强，因此在集成纳光子器件中有着重要的应用。
3.2表面等离子体光波导表面等离子激元能在导体和绝缘体的界面上传播，而在垂直于表面的方向,其强度随它离表面的距离呈指数减小。
这些表面电磁波是由于电磁场与导体的电子等离子体祸合而产生的。
由于一般介质都有损耗，所以在界面上的传播距离是有限的，SP的传播距离定义为当模的功率/强度降到初始值的e-1时，SP沿表面传播的距离：ispk21sp=δ。
银是在可见光范围内损耗最小的金属，即使这样，算出的传播长度在可见光范围内也只有10-100mμ。
在1.5mμ的近红外光带传播长度趋近于1mm。
由于其传播距离太短，所以在过去,表面等离子激元的传播被认为没有什么利用价值。
随着科学技术的进步和纳米技术的飞速发展，制作本身尺度小于表面等离子激元传播长度的器件成为可能，表面等离子激元就有了用武之地。
要利用表面等离子激元作为光波导，可以通过一定的亚波长结构来实现。
通过解一定边界条件的Maxwell方程，周期性的亚波长结构对光的汇聚和引导作用可以被模拟出来，因而为设计这种类型的光波导提供了帮助。
在很多有条件的实验室,已经有很多可行的表面等离子激元光波导被制作出来。
表面等离子体光波导的实现和应用具有重要的意义。
长远来说，它是实现全光回路(OPticalcircuit)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等离子体反射器、分波器、光开关和成束元件。
3.3 SPPs 纳米光刻技术由于光学衍射极限的存在，传统的光学刻写方法无法刻出超衍射极限的精细结构。