激光表面等离子体专题(参考)
等离子体在激光切割中的应用
等离子体在激光切割中的应用激光切割是现代制造工业中常见的一种加工方法，它利用高能激光束对材料进行切割。
而在激光切割过程中，发生的等离子体现象对材料切割性能起到重要作用。
本文将探讨等离子体在激光切割中的应用，以及它对切割性能的影响。
在激光切割过程中，激光束对材料的辐照会引起材料表面温度的迅速升高，当温度超过材料的沸点时，材料表面会瞬间蒸发形成等离子体。
等离子体是由带电粒子（正离子和电子）组成的气体状态的物质。
激光切割过程中产生的等离子体会在材料中形成高温和高压的区域，对材料进行溶解、蒸发和喷射，从而实现切割。
等离子体在激光切割中的应用主要表现在两个方面：一是帮助激光束聚焦，提高切割效果；二是将材料剥离，实现切割。
首先我们来看等离子体在激光切割中帮助激光束聚焦的应用。
等离子体在激光辐照下形成后，带正电荷的离子会受到激光束的引力作用，沿着激光束方向运动，从而形成一个带电粒子流。
这个粒子流会在材料表面形成一个孔洞，激光束会通过这个孔洞继续向下穿过，这样就形成了一个“等离子体通道”，使得激光束能够更好地聚焦在切割口上，提高切割效果。
其次，等离子体在激光切割中帮助材料剥离的应用也十分重要。
在等离子体通道中，等离子体在高温和高压的作用下对材料进行溶解和蒸发。
同时，激光束的能量也会被吸收和散射，使材料表面形成液态和气态的物质。
这些物质会在等离子体通道中产生剧烈的气体喷射力，将材料剥离并排出切割区域，实现切割。
等离子体通道中的高温和高压条件使得切割区域的材料能够迅速溶解和蒸发，从而提高了切割速度和质量。
然而，虽然等离子体在激光切割中发挥了重要作用，但它也对切割过程产生了一些负面影响。
等离子体通道中的物质喷射会对激光切割设备造成腐蚀和损坏，这对设备的稳定性和使用寿命造成了挑战。
同时，等离子体通道中的高温和高压环境也可能导致切割边缘出现烧焦、裂纹和变色等问题。
因此，在激光切割中需要对等离子体的产生和运动进行控制和优化，以提高切割质量和效率。
表面等离子体共振PPT课件
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SPR的基本原理
不同样品对应的共振角不同
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SPR的基本原理
图为定角度范围入射型SPR传感器，入射光源 一般选择单色性好的激光器，光源经过光学系统处 理后以一定的角度范围汇聚在棱镜与金属膜的界面 上，反射光用二极管阵列接收。
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SPR的基本原理
角度旋转入射型SPR传感器有着它不可避免的 缺点，由于旋转角度需要一定时间，如果待测样品 的折射率改变迅速，则此类型SPR传感器无法得到 每个时刻样品折射率变化的信息，因此角度旋转入 射型SPR传感器只适用于折射率变化缓慢的样品。 另外，由于机械装置的存在，不可避免的将引入机 械装置自身的误差，从而导致最终探测结果的误差 增大。
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光栅耦合SPR传感器
▪ 散射光将按照不同的散射角度被散射，某一散射 光的动量在界面方向上的投影会与金属薄膜发生 共振。 LOGO
光栅SPR传感器特点
▪ 与棱镜耦合的方式类似，基于光栅耦合方式的 SPR传感器也可以通过检测反射光强度分布或波 长分布两种方式来获得SPR曲线。
▪ 光栅SPR传感器应用不够广泛，其原因是除了在 光栅制作方面有一定难度外，在分析应用上也存 在一定的问题。
除了棱镜耦合SPR传感器外，比较常见 的还有光纤型和光栅型SPR传感器，都有各 自的优缺点。
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基于光纤耦合的SPR传感器
在线传输式SPR光纤传感器
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在线传输式SPR光纤传感器特点
▪ 该模式是将一段光导纤维的包层剥去,在光纤芯核 上沉积一层高反射率金属膜。普通石英阶梯指数 光纤数值孔径一般为0·3,光纤内部可传播光线的角 度范围为78·5°~90°。在此角度范围,光线在光纤芯 核与包层的界面上发生全内反射,渗透过界面的消 失波将在金属膜中引发表面等离子体子,并在满足 一定条件下与之共振。
表面等离子共振实验讲义
图5
准星示意图
当激光光斑一直过准星时，中心调节完毕。移去准星，放入敏感部件（34） ，为接下来 读数方便，将游标盘与度盘调整至图五所示位置，调整敏感部件使光 0°入射，拧紧游标盘 止动螺钉（25） ，转动度盘使度盘 0°对准游标盘 0°。拧紧转座与度盘止动螺钉（16） ，松 开游标盘止动螺钉（25） ，从此刻开始度盘始终保持不动。转动游标盘 90°观察光是否 90 °入射敏感部件，继续转动游标盘 180°观察光是否仍 90°入射敏感部件，如果是，此时则 说明敏感部件已调整完毕。将游标盘转回至度盘所示 65°位置处锁定，测量前准备调节完 毕。
表面等离子共振实验
1902 年，Wood 采用连续光谱的偏振光照射金属光栅时，在反射光谱上观测到一种反常 衍射现象，即“伍德异常衍射现象(Wood Anomalies)” 。1941 年，Fano 在 Sommerfeld 理论 的基础上运用金属-空气界面的表面电磁波激发模型解释了这一异常衍射现象。1957 年， Ritchie 在实验中观测到高能电子穿过金属薄片时出现了能量吸收峰，而为了解释这一现象， 他提出了用于描述金属内部电子密度纵向波动的“金属等离子体”的概念。而后，Powell 和 swan 在 1959 年通过实验证实了 Ritchie 提出的这种理论。 一年后，Stern 和 Farrell 对金属 表面电磁波模式的共振条件进行了深入的研究， 并提出了 “表面等离体共振(Surface plasmon resonance，SPR)”的概念。到了 1968 年，德国物理学家 Otto 和 Kretschmann 各自采用衰减 全反射(Attenuated Total Reflection，ATR)的方法在实验中实现了光频波段的表面等离子体的 激发。至此，一个较为完整的表面等离子体激化理论就建立起来了，从而对上述现象的理论 解释进行了统一。之后，对于表面等离子的研究则主要集中在传感应用方面，而基于表面等 离子体共振效应的传感技术也得到迅速的发展，并被广泛应用于化工和生命科学等领域。 【预备问题】 1. 产生全反射的条件是什么？ 2. 如何理解金属内部及表面的等离子体振动？ 3. 产生金属表面等离子体共振有哪些方法？ 4. 产生金属表面等离子体共振须满足什么条件？ 5. 表面等离子体共振技术目前主要应用在哪些方面？ 【实验原理】 1. 倏逝波 当光线从折射率为 n1 的光密介质射向折射率为 n2 的光疏介质时，在两种介质的界面处 将同时发生折射和反射， 当入射角θ大于临界角θc 时， 将发生全反射， 在全内反射条件下， 入射光的能量没有损失， 但光的电场强度在界面处并不立即减小为零， 而会渗入光疏介质中 产生倏逝波，如图 1 所示。
超连续谱光源应用系列(一)——表面等离子体
超连续谱光源应用系列（一）——表面等离子体表面等离子体激元（surface Plasmon polarizations, SPPs）是一种沿导体和电介质分界表面传播的特殊表面电磁波，其振幅随着离分界面的距离的增大而成指数衰减，它能被电子也能被光激发。
表面等离子共振技术(Surface Plasmon Resonance technology，SPR)是20世纪90年代发展起来的，应用SPR原理检测生物传感芯片(biosensor chip)上配位体与分析物作用的一种新技术。
发展简史☞1902年，Wood在光学实验中发现SPR现象☞1941年，Fano解释了SPR现象☞1971年，Kretschmann为SPR传感器结构奠定了基础☞1983年，Liedberg将SPR用于IgG与其抗原的反应测定☞1987年，Knoll等人开始SPR成像研究☞1990年，Biacore AB公司开发出首台商品化SPR仪器表面等离子共振原理光在棱镜与金属膜表面上发生全反射现象时，会形成消逝波进入到光疏介质中，而在介质（假设为金属介质）中又存在一定的等离子波。
当两波相遇时可能会发生共振。
当消逝波与表面等离子波发生共振时，检测到的反射光强会大幅度地减弱。
能量从光子转移到表面等离子，入射光的大部分能量被表面等离子波吸收，使得反射光的能量急剧减少。
可以从反射光强的响应曲线看到一个最小的尖峰，此时对应的入射光波长为共振波长，对应的入射角为SPR角。
SPR角随金表面折射率变化而变化，而折射率的变化又与金表面结合的分子质量成正比。
这就是SPR对物质结合检测的基本原理。
SPR用途简介实时分析，简便快捷地监测DNA与蛋白质之间、蛋白质分子之间以及药物—蛋白质、核酸—核酸、抗原—抗体、受体—配体等等生物分子之间的相互作用，在生命科学、医疗检测、药物筛选、食品检测、环境监测、毒品检测、法医鉴定等领域具有广泛的应用需求。
超连续谱是指超短脉冲在非线性介质中传输时，由于介质的非线性效应及色散效应的共同作用，导致脉冲的光谱被极大的加宽，使光谱的宽度远远大于入射光脉冲的宽度。
基于石墨烯和碳纳米管所设计的表面等离子体激元纳米激光器
题目基于石墨烯和碳纳米管所设计的表面等离子体激元纳米激光器摘要表面等离子体激元纳米激光器（Spaser）是通过等离子体谐振器和增益介质来补充能量损失的表面等离子体激元的纳米尺度光源。
这里我们设计了一种碳基spaser，其中的石墨烯纳米片（GNF）谐振器被耦合到碳纳米管（CNT）增益元件上。
我们从理论上证明了，由于这种模式与CNT激子之间的近场的相互作用，所以光激发CNT可以零辐射地将能量转移到GNF的定域等离子体激元模式。
通过计算等离子体激元模式的定域场和等离子体激元激子的相互作用的矩阵元，我们发现了等离子激元的生成速率最高的spaser的最优几何参数和材料参数。
得到的结果可以证明，对等离子体纳米电路设计强大的和超级紧密连贯的的表面等离子体激元光源，将会非常有用。
关键词表面等离子体激元纳米激光器；石墨烯；碳纳米管；量子等离子体；光学器件正文纳米等离子体提供了超快制造超速纳米电路的巨大新机遇，因为它可以突破常规的光波衍射极限而微型化。
可以利用表面等离子体激元（SPs）在金属-电介质界面的电子集体振荡去携带处于纳米尺度的信息。
利用SP去激励电路，需要一个类似于电子晶体管或光学激光的激活装置。
通过辐射的受激发射放大表面等离子体激元，在活性等离子体装置中可被用于产生SP，这种现象被称为spaser。
spaser的运作，要求增益介质的激发能能被零辐射转移到耦合等离子体谐振器中，以增大其定域的SP模式的振幅。
通过SP受激辐射放大，spaser能产生比那些构建于金属表面由激光源激励的更强更连贯的等离子场。
最近SP的受激辐射的实验，实现了spaser的第一个实用性应用——一个被染料掺杂的二氧化硅包裹的球形金纳米颗粒。
spaser的运行特征，诸如等离子激元的生成速率，发射波长，SP的品质因子以及阈值增益，强烈依赖于其几何形状和组成。
因此，许多spaser的设计方案已被提出并进行分析，以寻求性能上的最佳。
这些包括一个位于光泵浦多量子阱（QW）之间的金箔等离子体激元波导，一个由量子点（QD）包裹的V形的金属纳米颗粒，一个在有源基底上的环缝谐振器的阵列，一个领结形束缚量子点金属结构和一个在其底部的带量子点的金属纳米凹槽。
表面等离子体光子学.pptx
相关应用/表面等离子体光子学
表面等离子体数据存储技 利振术用态金的属敏纳感米，颗我粒们对可入以射通光过波在长三和维偏空
间集成不同的金属颗粒，从而实现五 维的数据存储（图7）。存储密度相对 于现有技术实现了指数倍增长，高达 每立方厘米1Tbit！如图7所示，在存 储介质的同一个空间位置，因为具有 对入射光波长和偏振态的敏感性，可 以实现对不同图形的分别写入和读出， 极大的提高存储密度。
什么是表面等离子体
表面等离子体
（Surface Plasmons，SPs）
是指在金属表面存在的自由振 动的电子与光子相互作用产生 的沿着金属表面传播的电子疏 密波。
是一种电磁表面波
在表面处场强最大 在垂直于界面方向是指数衰减场 既能够被电子激发也能被光波激发
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等离子体和表面等离子体是什么关系
Plasma
区别
一般提起等离子体，大家想到的是电离的空气或者太阳上的高温物质。但是，你 如果仔细考虑一下金属的自由电子模型，那么在正离子背景中运动的自由电子 “气”也是一种“等离子体”。金属中正离子晶格的集体振荡可以量子化为声子 的产生、传播与湮灭；同样，金属中自由电子气的集体振荡也可以看做是一种集 体激发，也可以量子化为某种准粒子的作用。
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相关应用/表面等离子体光子学
表面等离子体太阳能电池
能源问题是未来社会发展的核心问题。太阳能作为一种可持续发展的清洁 能源一直受到很大的关注。然而目前太阳能电池模块较低的能量转换效率 使得大规模的应用还无法实现。金属纳米结构的引入可以通过光散射引起 的光腔效应（图 a），局域等离子体激元效应（图 b）和表面等离子体激 元效应（图 c）大大提高光转换效率。
表面等离子体
表面等离子体什么是表面等离子体？表面等离子体（Surface Plasmas）是一种物理现象，指的是当电磁波与导体表面相互作用时，激发出的电子和离子共振行为。
这种共振行为导致了电荷分布的集体振动，形成了一种新的等离子体态气体。
表面等离子体在光学、电磁学、光电子学等领域具有重要应用价值。
表面等离子体的产生方式表面等离子体的产生方式有多种，常见的有以下几种方式：光激发表面等离子体当光束垂直入射到金属表面时，光与金属表面的电子发生相互作用，从而激发起表面等离子体。
这是表面等离子体最常见的产生方式。
声激发表面等离子体声激发表面等离子体是指通过声波与金属表面相互作用，使得金属表面的电子激发起等离子体。
这种方式在材料科学领域有着广泛的应用。
电子束激发表面等离子体利用电子束的能量将金属表面的电子从其原位激发出来，产生表面等离子体。
这种方式常用于表面改性和薄膜生长等领域。
离子轰击激发表面等离子体通过离子轰击金属表面，将金属表面的电子激发起等离子体。
这种方式常用于表面修饰和薄膜生长等领域。
表面等离子体的应用表面等离子体在多个领域中都有广泛的应用，以下是其中几个重要的应用领域：表面等离子体共振表面等离子体共振是指当表面等离子体与外界电磁波发生相互作用时，会产生共振现象。
利用该现象，可以实现高灵敏度的传感器、纳米光学器件等的设计与制备。
表面等离子体增强拉曼散射表面等离子体增强拉曼散射是将分子光谱与表面等离子体相结合，通过表面等离子体的共振放大效应，提高了拉曼散射信号的强度，使得分子结构的检测更加灵敏和准确。
表面等离子体激光增强表面等离子体激光增强是将激光与表面等离子体相互作用，通过表面等离子体的共振放大效应，增强激光功率密度，从而实现更高的激光效果，例如激光切割、激光打印等。
表面等离子体传感技术利用表面等离子体在电磁波与金属表面相互作用时的共振现象，可以设计和制备高灵敏度、高选择性的传感器。
例如，通过合适的金属纳米结构，可以实现对特定气体、化学物质或生物分子的检测。
半导体激光器件中的表面等离子体共振与增强效应研究
半导体激光器件中的表面等离子体共振与增强效应研究近年来，随着科技的快速发展，半导体激光器件在通信、医疗、材料处理等领域中得到了广泛的应用。
为了进一步提高激光器件的性能，研究人员开始关注表面等离子体共振与增强效应在半导体激光器件中的应用。
表面等离子体共振是指在金属和某种媒介之间形成的一种特殊的共振模式。
当光从介质中垂直入射到金属表面时，波长接近表面等离子体共振波长，可产生强烈的电磁场增强效应。
这种共振现象引起了研究人员的兴趣，因为它可以提高激光器件的光谱特性和光子传输效率。
在半导体激光器件中，表面等离子体共振与增强效应的研究主要集中在光吸收、增强荧光和增强二次谐波产生等方面。
首先，通过调节半导体激光器件的结构和材料参数，可以实现光吸收的增强。
当光与金属表面形成表面等离子体共振时，电磁场的增强作用可以增加光的吸收率，提高光到电转换的效率。
其次，表面等离子体共振可以增强激光器件的荧光产生。
当荧光分子靠近金属表面时，其荧光强度会显著增加，这是因为荧光分子受到表面等离子体共振引起的增强电场的作用。
此外，通过利用表面等离子体共振的增强效应，还可以实现二次谐波的增强产生。
表面等离子体共振的增强电磁场可以提高非线性二次谐波的产生效率，使得半导体激光器件在光学非线性应用中更加有效。
然而，半导体激光器件中表面等离子体共振与增强效应的研究面临一些挑战。
首先，需要寻找合适的金属材料和激光器件结构参数来实现最佳的共振效果。
不同金属的表面等离子体共振波长不同，因此需要选择合适的金属材料来匹配激光器件的波长。
其次，控制金属表面的粗糙度和固化过程对等离子体共振的增强效应也具有重要意义。
金属表面的粗糙度会影响电磁场的分布和增强效果。
因此，在制备过程中需要仔细控制金属表面的形貌和特性。
此外，还需要解决材料兼容性的问题，以实现金属层与激光器件的良好结合。
为了在半导体激光器件中实现表面等离子体共振与增强效应，研究人员采取了多种方法和技术。
光电物理学中的表面等离子体共振
光电物理学中的表面等离子体共振光电物理学是物理学的一个分支，研究光与物质之间的相互作用。
表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，简称SPR）则是光电物理学中的一个重要研究领域，用于为生物分子学、化学传感器以及纳米光学等方面提供有价值的数据。
1. 表面等离子体共振的原理表面等离子体共振是一种基于光学现象的测量方法，在该方法中，通过观察薄膜表面的反射或透射光的强度和频率的变化来研究物质表面的化学和物理性质。
表面等离子体共振原理的核心是表面等离子体波（surface plasmon wave，SPW）的存在，这是一种在固体和液体界面上的电子波。
当SPW与来自光源的光波交互作用时，会出现共振现象，这一现象极为敏感，可用于检测很小量的生物分子或化学物质。
2. 表面等离子体共振的应用在生物分子学中，表面等离子体共振可以通过分析薄膜上的生物分子与分子间相互作用时产生的共振现象来研究这些分子之间的互动。
这种方法通过分析分子在薄膜表面的光学特性，可以帮助科学家们更好地理解生物分子的结构、构象和相互作用。
在化学传感器方面，表面等离子体共振可以用于检测试样中的小分子化合物，如药物、化学物质、毒素等。
它是一种便捷、快速和高度灵敏的技术方法，可用于分析药物分子的互动、监测环境污染物或废水中的化学物质等。
在纳米光学领域中，表面等离子体共振可以用于制造纳米光学器件，如表面等离子体共振衍射你（surface plasmon resonance diffraction grating）和聚焦的表面等离子体共振谐振器。
这些器件可用于提高光学成像的分辨率、改善激光的成像和显色度，以及在热力学、物理学和化学方面进行纳米级别的研究。
3. 表面等离子体共振的优缺点表面等离子体共振是一种优异的技术方法，有多个优点，如：高灵敏度：能够测量超低浓度、微弱派生和低分子质量的物质。
实时测量：不需要对样品做任何处理或标记就能实时测量分子之间的相互作用。
等离子体表面处理技术（精选合集）
等离子体表面处理技术（精选合集）第一篇：等离子体表面处理技术等离子体表面处理技术的原理及应用前言：随着高科技产业的讯速发展，各种工艺对使用产品的技术要求越来越高。
等离子表面处理技术的出现，不仅改进了产品性能、提高了生产效率，更随着高科技产业的迅猛发展，各种工艺对使用产品的技术要求也越来越高。
这种材料表面处理技术是目前材料科学的前沿领域，利用它在一些表面性能差和价格便宜的基材表面形成合金层，取代昂贵的整体合金，节约贵金属和战略材料，从而大幅度降低成本。
正是这种广泛的应用领域和巨大的发展空间使等离子表面处理技术迅速在国外发达国家发展起来。
一、等离子体表面改性的原理等离子，即物质的第四态，是由部分电子被剥夺后的原子以及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气状物质。
它的能量范围比气态、液态、固态物质都高，存在具有一定能量分布的电子、离子和中性粒子，在与材料表面的撞击时会将自己的能量传递给材料表面的分子和原子，产生一系列物理和化学过程。
其作用在物体表面可以实现物体的超洁净清洗、物体表面活化、蚀刻、精整以及等离子表面涂覆。
二、等离子体表面处理技术的应用1、在工艺产业方面的应用 1）、在测量被处理材料的表面张力表面张力测定是用来评估材料表面是否能够获得良好的油墨附着力或者粘接附着品质的重要手段。
为了能够评估等离子处理是否有效的改善了表面状态，或者为了寻求最佳的等离子表面处理工艺参数，通常通过测量表面能的方式来测定表面，比如使用Plasmatreat 测试墨水。
最主要的表面测定方式包括测试墨水，接触角测量以及动态测量评价表面状态低表面能, 低于 28 mN/m良好的表面附着能力，高表面能2）预处理–Openair® 等离子技术，对表面进行清洗、活化和涂层处理的高技术表面处理工艺常压等离子处理是最有效的对表面进行清洗、活化和涂层的处理工艺之一，可以用于处理各种材料，包括塑料、金属或者玻璃等等。
使用Openair® 等离子技术进行表面清洗，可以清除表面上的脱模剂和添加剂等，而其活化过程，则可以确保后续的粘接工艺和涂装工艺等的品质，对于涂层处理而言，则可以进一步改善复合物的表面特性。
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。
5 激光等离子体
d Ks dx Ks dx Ksl
Ps 0 0
P
l
或
1 exp(d )
激光等离子体冲击波的形成 若入射激光强度I 1足够大, 材料表面在极短瞬间吸 收极高能量, 则所产生的等离子体物质冲击波速度大于 声音冲击波速度, 并导致相当多的金属蒸气物质冲击, 此 种类型等离子体冲击波归结为激光维持的爆轰波; 当激光强度I 3相对较低时, 则材料冲击波速度低于 声音冲击波速度, 即以亚音速度传播, 并具有较小的金属 蒸气物质冲击, 其冲击波能量来自于等离子体吸收激光 后产生的等离子体辐射, 这叫做激光维持燃烧波; 当激光强度I 2处于I 3< I 2< I 1时, 所产生的等离子体 物质冲击波, 与声音冲击波具有相近的传播速度, 称之为 激光维持弱爆轰波. 同样条件下, 等离子体冲击波的大小主要与入射激光 强度有关. 激光维持的燃烧波有利于焊接过程的进行, 而 爆发波使焊接过程无法进行, 必须加以控制.
了原子与离子的能级，他们相互靠得很近以致发生能 级重叠。等离子体温度越高，电离程度越高。电子在 连续区域或连续与分立能级之间的跃迁构成了连续光 谱。由于产生连续跃迁的范围很大，连续光谱区很宽 从紫外到红外都有。但是影响连续背景的大小与诸多 因素有关，特别是与所加的缓冲气体的气压有关，缓 冲气体气压越高，背景辐射越强。 第二，在连续辐射背景上叠加的分立的原子、离子谱 线具有不同的演化速率。分立谱来自电子在原子和离 子束缚能级间的跃迁。随时间的推移，各原子和离子 光谱线的强度呈现不同的变化趋势。总体上表现为所 用谱线的强度随时间先增加后减弱。 总之，激光烧蚀的等离子体光谱存在连续辐射形成的 连续谱，以及电子在不同束缚能级间跃迁产生特征辐 射形成的分立谱。
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。
光在表面等离子体中的传播特性及应用研究
光在表面等离子体中的传播特性及应用研究【引言】在现代科学中，光学是一门研究光的传播和相互作用的学科，而表面等离子体是光与固体界面共振的一种现象。
光在表面等离子体中的传播特性及其应用已经成为现代光学研究的重点之一。
本文将介绍光在表面等离子体中的传播特性、相关实验的准备和过程，并讨论其在光学和其他专业领域的应用与价值。
【一、光在表面等离子体中的传播特性】1. 表面等离子体激元表面等离子体激元是一种纵向经典振动波，在金属和绝缘体之间的界面上形成。
它是光与金属表面电子相互作用的结果，具有与电磁波相似的特性。
光在表面等离子体中的传播特性受到表面等离子体激元的影响。
2. 表面等离子体的耦合和局域化光与表面等离子体的相互作用可以耦合并局域化在金属表面附近的空间，形成极高的光场增强效应。
这种局域化效应可用于提高传感器灵敏度、增强光学器件的性能等。
3. 光在表面等离子体中的传播损耗光在表面等离子体中的传播存在一定的损耗，主要源于金属阻抗、光散射、吸收和表面粗糙度等因素的影响。
理解和控制这些传播损耗对于提高光学器件的效率至关重要。
【二、实验准备】1. 实验器材光源、激光器、光纤、金属薄膜等。
光源可以是连续光源或脉冲激光器，用于发射所需波长的光。
2. 实验样品制备金属薄膜样品，如银薄膜或金薄膜，用于实现表面等离子体的激发和传播。
3. 实验环境搭建实验装置，保证实验环境的稳定性，包括温度、湿度等参数的控制。
4. 测量设备光谱仪、光电探测器、光学显微镜等用于对实验结果进行测量和观察。
【三、实验过程】1. 使用光源照射样品通过合适的实验装置将光源的光照射到金属薄膜样品上，激发表面等离子体激元的产生。
2. 测量样品的光谱特性使用光谱仪对样品进行光谱测量，记录不同波长下的反射光强度和透射光强度。
通过分析光谱曲线，可以了解光在表面等离子体中的传播特性。
3. 观察样品的表面形貌与结构使用光学显微镜观察样品的表面形貌与结构，并对其进行分析。
等离子体物理思考题参考(最新整理)
思考题1.1 电离气体一定是等离子体吗？反过来呢？答：电离气体不一定是等离子体，反过来也不一定。
1.2 试就高温、低温、高密度、低密度等离子体各举一例。
答：磁约束受控热核聚变等离子体是高温等离子体，电弧等离子体是低温等离子体，太阳内部等离子体是高密度等离子体，电离层等离子体是低密度等离子体。
1.3 德拜屏蔽效应一定要有异性离子存在吗？答：不一定，完全由电子构成的非中性等离子体也具有德拜屏蔽效应。
1.4 用电子德拜长度表示等离子体的德拜长度的前提是什么？答：主要是所考虑问题的时间尺度应小于离子的响应时间，离子不能响应。
1.5 由于德拜屏蔽，带电粒子的库仑势被限制在德拜长度内，这是否意味着粒子与德拜球外粒子无相互作用？为什么？答：有，但是表现为集体相互作用，实际上屏蔽本身可以视为相互作用的传递过程，粒子对德拜球外的粒子的相互作用，通过周围屏蔽粒子的传递而作用。
1.6 对于完全由同一种离子构成的非中性等离子体，能够有德拜屏蔽的概念吗？答：同样有，但此时是指在平衡状态下，系统对电扰动的屏蔽作用。
1.7 常规等离子体具有不容忍内部存在电场的禀性，这是否意味着等离子体内部不可能存在很大的电场，为什么？答：不一定，在小于德拜长度的空间尺度中，可以存在局域很强的电场，在比等离子体特征响应时间小的时间尺度中，可以存在瞬时的强电场。
1.8 在电子集体振荡的模型中，若初始时不是所有电子与离子产生分离而是部分电子，则振荡频率会发生变化吗？如果变化，如何解释？答：从方程上看，此时的振荡频率似乎会减小，即将电子密度换成分离电子密度，如果这样，集体振荡频率就不是等离子体的一种特征频率，因为与振荡扰动的幅度相关。
但事实上这样处理是不对的，部分电子与离子分离的情况应用此模型无法进行。
因为当部分电子分离时，未分离的电子同样会运动，使得电场会增大，结果使振荡频率仍然是等离子体频率。
1.9 粒子之间的碰撞是中性气体中粒子相互作用的唯一途径，在等离子体中也如此吗？粒子间能量动量交换还有什么途径？答：等离子体中粒子间能量、动量交换途径除碰撞外，还可以通过许多集体相互作用形式，如不稳定性、粒子－波－粒子作用等。
激光等离子体物理解答
激光等离子体物理与检测技术复习思考题1.金属、非金属和半导体材料各自对激光吸收有何特点？答：金属中存在大量的自由电子，该自由电子受到光频电磁波的强迫振动而产生次波，这些次波形成了强烈的反射波和较弱的透射波。
其中的透射波部分又在很薄的金属表层被吸收，因而激光在金属表面有较高的反射比。
特别对光子能量较低的红外光而言，光频电磁波只能对金属中的自由电子作用。
对光子能量较高的可见光或紫外光而言，由于金属中的束缚电子的固有频率常处于可见光或紫外光频段，因而还能对金属中的束缚电子作用。
束缚电子的作用将使金属的反射能力降低、透射能力加强，并增强了金属对激光的吸收，使之呈现出某种非金属的光学性质。
由于金属中自由电子的密度较大，因而透射光波在金属表面的附近很薄的表层内被吸收。
金属对激光的吸收与波长、材料特性、温度、表面情况和激光的偏振特性等诸多因素均有关。
在近红外区金属的反射比较大；金属材料在室温时的吸收比很小，当温度升高到接近熔点时，吸收比达到40%-50%，当温度接近沸点时，吸收比高达90%。
金属表面状况对可见光的吸收比影响很小，但是，金属表面的粗糙度对吸收比有显著的影响，粗糙表面与抛光镜面相比，吸收比可提高一倍。
表面涂层的作用就是加强金属表面对激光的吸收。
非金属与金属不同，它对激光的反射比较低，吸收比较高，而且非金属的结构特征决定了它对激光波长有强烈的选择性。
许多半导体材料对可见光不透明，但对和红外光相对透明，大部分带Si-O 结合键的材料对可见光相对透明，而对10m μ波段的光则强烈吸收。
绝缘体和大部分半导体与金属相比对光的吸收系数较小，对应的穿透深度较大。
2.试述Knudsen 层的定义。
答：从靶表面跑出来的蒸汽粒子具有表面温度下的麦克斯韦速率分布，而且这些气化粒子的速度方向均是离开靶表面方向。
这种各向异性的速率分布时通过蒸汽粒子相互碰撞形成的，通常认为这种碰撞是在靶表面前方几个平均自由程内进行，这一区域称为Knudsen 层。
表面等离子体共振原理及应用要点.pptx
• Surface Plasmon Resonance , SPR
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除电子以外，用电磁波，如光波，也能激发表面等离子体振动。二十世纪初， Wood 首次描述了衍射光栅的反常衍射现象，这实际上就是由于光波激发了表面等离子 体振动所致。六十年代晚期，Kretschmann 和Otto采用棱镜耦合的全内反射方法，实 现了用光波激发表面等离子体振动，为SPR技术的应用起了巨大的推动作用。他们的实 验方法简单而巧妙，仍然是目前SPR装置上应用最为广泛的技术。
Prism g Metal m Sample s
0
kev ksp
x z
(A) Kretschman
0
k'ev ksp
Prism g Sample s Metal m
(B) Otto
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棱镜耦合
棱镜是SPR研究中应用最为广泛的光学耦合器件。棱镜由高折射率的非 吸收性的光学材料构成，其底部镀有厚度为50nm左右的高反射率的金属 薄膜（一般为金或银），膜下面是电介质。在SPR传感器中，该电介质即
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基于角度调制的SPR传感装置
SPR对附着在金属薄膜表面的介质折射率非常敏感,当表面 介质的属性改变或者附着量改变时，共振角将不同。因此， SPR谱（共振角的变化vs时间）能够反映与金属膜表面接触 的体系的变化。
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典型仪器
Biacore 2000 Dimensions: 760 x 350 x 610 mm Net Weight: 50 kg
为待测样品。由光源发出的p-偏振光以一定的角度θ0入射到棱镜中，在棱 镜与金属的界面处将发生反射和折射。当θ0大于临界角θc时，光线将发生
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50%衰减，三棱镜 2 个，线阵 CCD，10、 计
浮法玻璃，11、扩束镜夹持座 1 个，透镜夹持座 3 个， 带夹持夹平台 2 个，光具座若干，2、白屏 1 个,
实验中心（室）审核意见：
学院教学工作委员会审核意见：
负责人签字： 教务处意见：
年
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日
计划时数 开放对象
四年级本科学生
可接纳学生人数
结题或成果形式 □实验报告 □实验数据 □实物作品 □专利 □论文 □其它 实验项目内容（主要内容、难点、创新点） ：指导学生自行搭建激光-表面等离子体共振实验系 统，观察了解共振原理，启发学生对该原理的创新应用。
实施方案设计： （可提供多种方案，可另加页） 在光学平台上搭建固定光路型激光表面等离子体共振实验系统。
预期目标：培养学生创新性运用激光表面等离子体共振的物理原理，开发新型传感技术的实验 能力。 需 要 的 主 要 仪 器 设 备 等 实 验 条 件 : He-Ne 激 光 器 ， 扩 束 镜 f=4.5mm ， 孔 径 150mm ，偏振片，平凸柱透镜，光强衰减片
负责人签字：
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负责人签字：
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附件：1
西安交通大学教学实验中心（室）开放项目申报表
学院： 理学院 实验项目名称 开放实验类型 实验项目类型 指导 教师 实验技 术人员 姓名 职称 姓名 职称 实验中心（室）名称： 实验物理中心 激光-表面等离子体共振原理及其应用 □自选实验项目型 □学科竞赛型 □参与科研型 □计算机应用技术提高型 □人文素质与能力培养型 □验证性 □设计性 □综合性 □研究创新性 □其它 方湘懿 教授 程向明 高 工 20 王雪冬 高 工 建议学分 0．5 开放时间 2007．9-2008．1 10 □其它