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表面等离极化激元(SPP)基本原理

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表面等离激元

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。

表面等离极化激元(SPP)基本原理

表面等离极化激元(SPP)基本原理


c.双波模型[H.T.Liu and lanne,”Microscopic theory of the extraordinary optical transmission”Nature(London)452,728,2008]
现在讨论w>wp的情况。 当w很大时， wτ>>1，金属的介电函数可以忽略虚 部只考虑实部，可以近似为：
(
)
1
2 p
2
2 p2 K 2c2
当w>wp，则允许电磁波以群速度 vg=dw/dK<c在金属中传播。当w=wp时， epsilon(w)=0,它所对应的激发必然是电子的 集体纵振动。因为D=0，可以知道电场在wp 是一个纯粹的退极化场E=-P/epsilon0.其运 动状态可以想象为：离子是一块固定的正电
T (64 2 )( a )4 27
可以看出，一个明显的特征是，透射谱中出现了一系 列的峰、谷结构。除了 位于紫外（λ = 326nm，对应于体plasmon 频率）的 透射峰以外，在长波长的范 围内还有两组突出的透射极大（1000nm、1370nm） 和透射极小（900nm、1270nm）。尤其让人感到惊 奇的是，后一个透射峰位于1370nm；此波长约为小 孔直径的10倍。而且，其透射效率为4.4%；如果对 小孔的占空比（2.2%）进行归一化，则相对透射率 将达到2。这意味着，将有两倍于直接入射到小孔上 的光能够被透射；或者说，有一部分光即使没有入射 到小孔上也能被透射。而根据Bethe 的理论，这样大 的小孔，其透射效率充其量也不过3.4e−3。据此可知， 小孔阵列能够产生近600 倍的透射增强。
此外，他们还测试了透射谱对一些参数（如周期、孔径、膜厚及金属材料等） 的依赖关系，并发现了一些共同的特征。如:透射峰的位置决定于周期，而 与孔径、膜厚及金属的种类无关；透射峰的宽度决定于孔径与膜厚的比，孔径 越大、膜厚越小，则峰越宽；而且，透射峰的高度依赖于膜厚，膜越厚，则峰 越低。另外，至关重要的一点是，薄膜必须为金属膜；如果是非金属材料，则 无透射增强效应。
(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,。

表面等离激元

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。

第10讲_表面等离子体激元

第10讲_表面等离子体激元


SPP at Ag/SiO2
光频“X-ray 波长”!
Re(β)
• •
SPP波长可以在光频达到纳米级！得到亚波长约束 光不能直接在平板金属表面激发SPP。
19
怎样激发的? – 下一讲介绍
表面等离子体的基本性质：亚波长约束、局域场增强和反常色散
SPP的传播距离和损耗 三个特征尺度（重要！）：
振荡强度减小到1/e的传播长度
如果 > 0 且 < 0 会是哪种偏振？
<0 且 < 0 又是怎样？
13
画出SPP色散曲线
两个合理的前提条件: 1. 非色散介质: εd = 常数
md c m d
m
p2 2. 无衰减的Drude金属: m() 1 2
• 在低频ω: εm→−∞
(趋向电介质的light line)
10
两套独立的解:
用 Ey, Hx, Hz表示TE 解
Hz Hx Ey Ez
用 Hy, Ex, Ez表示TM 解
Hy
Ex
5
2014/2/24

对TM 的解:
kzEx i Ez i0Hy kzH y i0Ex iHy i0Ez
边界条件: Hy1 Hy2, Ex1 Ex2
('m> 0)
real β real ikz

c
禁带
介质中的色散曲线Light line
(d< 'm < 0)
imaginary β real ikz
sp
k1z k2z
z

2 E

c
kx kx
m d m d
('m < d)
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。

表面等离激元共振

表面等离激元共振

表面等离激元共振在生物医学领域中 可用于实现高分辨率、高灵敏度的成 像与诊断，有助于疾病的早期发现和 治疗。
表面等离激元共振在太阳能电池等领 域中，可以提高光电转换效率，促进 可再生能源技术的发展。
表面等离激元共振的历史与发展
早期研究
表面等离激元共振的研究始于20世纪初，但直到近年来随 着纳米技术的快速发展，才得到了广泛关注和应用。
受介质影响
当表面等离激元遇到不同介质时 ，会发生反射、折射或耦合等现 象。
表面等离激元的共振条件
波矢匹配
当入射光波的波矢与表面等离激元的波矢相匹 配时，会发生共振增强效应。
能量守恒
入射光能量与表面等离激元的能量必须相匹配， 才能实现共振。
动量守恒
入射光与表面等离激元必须满足动量守恒定律。
03
表面等离激元共振的应用
光电探测器
用于检测共振产生的光信号，如光电流或光 电压。
激光器
提供共振所需的光源，通常选用可见光波段 的激光。
金属纳米结构
制备具有特定形貌和尺寸的金属纳米结构， 如纳米颗粒、纳米棒、纳米片等。
实验步骤与操作
样品制备
在玻璃基底上制备金属纳米结 构样品，可以采用物理气相沉
积、化学合成等方法。
光学显微镜观察
THANK YOU
实验验证难度
表面等离激元共振的实验验证是另一个技术挑战。由于表面等离激元共振的特性，实验验证需要高精度的测量设备和 复杂的实验条件，这增加了实验验证的难度。
理论模型的不完善
目前对表面等离激元共振的理论模型仍不完善，这限制了对表面等离激元共振的深入理解和应用。需要 进一步发展理论模型，提高理论预测的准确性和可靠性。
调控光电流
通过表面等离激元共振，可以调控太阳能电池中的光电流方向和大 小，优化能源利用效率。
表面等离子激元的激发机制

表面等离子激元的激发机制

表面等离子激元的激发机制表面等离子激元（Surface Plasmon Polariton, SPP）是一种表面电磁波，是光与金属、半导体等电介质界面上的电子气紧密耦合形成的一种激发态。

表面等离子激元的激发机制包括光场的耦合、驻波效应、金属中电子的激发以及周期性结构的作用等多个因素。

首先，光场的耦合是表面等离子激元激发的基础。

当光照射到具有金属或半导体表面等离子激元共振条件的介质界面上时，电磁波的能量可以转化为电子气的共振激励。

这一过程是通过光场的电磁场与电子气之间的相互作用实现的。

在共振条件下，电磁波与电子气耦合得足够强，从而形成表面等离子激元。

其次，驻波效应也是表面等离子激元激发的重要机制之一。

驻波效应是指在特定频率下，光场在介质界面上传播时会产生正向和反向相向传播的波，两者叠加形成驻波。

这种驻波的能量分布与表面等离子激元的能量分布相互呼应，进而促进了表面等离子激元的激发。

此外，金属中电子的激发也与表面等离子激元的激发密切相关。

金属是表面等离子激元的主要载体，其中的自由电子起着重要作用。

当金属表面接收到入射光时，光子的能量被吸收，使得金属中的电子被激发起振动。

这种振动形成电磁波的波动，与入射光波的电磁场形成一定的相互作用，从而产生表面等离子激元。

最后，周期性结构对表面等离子激元的激发也具有重要的影响。

周期性结构可以通过光子晶体、光栅等形式实现，在界面上形成相应的布拉格反射，使入射的光波相互干涉，进而改变了光的传播性质。

这种周期性结构能够调控光的传播速度和能量分布，从而影响表面等离子激元的激发和传播。

总之，表面等离子激元的激发机制主要包括光场的耦合、驻波效应、金属中电子的激发以及周期性结构的作用等。

这些机制相互作用，共同促使表面等离子激元的产生和传播。

随着对表面等离子激元研究的不断深入，科学家们不断探索新的激发机制，为其在纳米光电子学、化学传感、生物医学等领域的应用提供了更多可能性。

表面等离激元极化

表面等离激元极化

表面等离激元极化
引言：
表面等离激元极化是一种新型的光学现象，它在纳米科技领域中具有广泛的应用。

本文将从定义、特点、应用等方面进行阐述。

定义：
表面等离激元极化是指当金属表面上的电子与光子相互作用时，会形成一种新的电磁波模式，这种模式被称为表面等离激元。

表面等离激元是一种电磁波，它的振荡频率与金属表面的几何形状、材料种类、电子密度等因素有关。

特点：
表面等离激元具有以下几个特点：
1. 高度局域化：表面等离激元的振荡场强度高度局域化在金属表面附近的几个纳米范围内，这种局域化现象可以用来增强光与物质的相互作用。

2. 敏感性：表面等离激元对金属表面的几何形状、材料种类、电子密度等因素非常敏感，这种敏感性可以用来制造高灵敏度的传感器。

3. 可调性：通过改变金属表面的几何形状、材料种类、电子密度等因素，可以调节表面等离激元的振荡频率和强度，这种可调性可以用来制造可调谐的光学器件。

应用：
表面等离激元在纳米科技领域中具有广泛的应用，以下是几个典型的应用案例：
1. 表面等离激元传感器：利用表面等离激元的高度局域化和敏感性，可以制造高灵敏度的传感器，例如生物传感器、化学传感器等。

2. 表面等离激元增强拉曼光谱：利用表面等离激元的局域化现象，可以增强拉曼光谱信号，从而提高检测灵敏度。

3. 表面等离激元光学器件：利用表面等离激元的可调性，可以制造可调谐的光学器件，例如滤波器、偏振器、光学调制器等。

结论：
表面等离激元极化是一种新型的光学现象，具有高度局域化、敏感性和可调性等特点，在纳米科技领域中具有广泛的应用前景。

未来，随着纳米科技的不断发展，表面等离激元极化将会成为一个重要的研究领域。

局域表面等离激元

局域表面等离激元

局域表面等离激元局域表面等离激元（SurfacePlasmonPolaritons，简称SPPs）是由金属表面产生的精细结构表面电磁波。

这种波是在金属表面发生的激元现象。

它是由表面等离激元（SP）以及其周围构成的非等同介质分量构成的复合角动量，具有半导体光学（SP）以及磁激子（MP）的共同特征。

SPP由金属和介质的界面所决定，它的特性是由金属的折射率和介质的折射率和介质的诸多物理特性决定的。

SPP在金属表面的界面处做一种类似电磁波的波，可以传播一定的距离，其能量也随着传播距离的减小而减小。

SPP的波长随着入射光的频率和金属的折射率而变化。

SPP的传播距离受制于衰减率，入射光频率越低，衰减率越小，传播距离越长。

SPP具有高度的导电性和磁导性，令它保持了极强的电磁耦合协议。

它的传输受到折射率的影响，具有较强的隔离效果，可有效抵御外界干扰。

SPP可以将可见光谱和红外光谱转化为特定频率，频率受到入射频率和金属表面的参数影响。

由于SPP具有宽频带、高速传输、高灵敏度等特性，它在光通信、抗干扰性检测、光学器件等领域被广泛应用。

例如，SPP光学元件用来缩小范围，减少发射光的浪费，加强发射光的强度；SPP光纤衍射器可用来构建高速通信系统；SPP仪器用来检测电磁波或光信号，是一种新型的抗干扰检测系统；SPP也可以用来检测微纳米对象的尺寸和形状，是一种新型的超分辨率技术。

此外，SPP在生物医学领域也有着广泛的应用，它可以用来诊断和监测肿瘤细胞、调节体外膜的结合效率等。

SPP可以将特定的光谱转换成特定的波长与频率，从而实现超灵敏的检测和操纵细胞。

综上所述，局域表面等离激元以其独特的传输特性，在光通信、生物医学、抗干扰性检测等多个领域应用广泛。

它与金属表面发生的物理现象有关，其受到入射光频率以及金属表面参数的影响，具有高度的导电性和磁导性，保持了极强的电磁耦合协议。

表面等离子体激元

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。

表面等离激元——机理、应用与展望

表面等离激元——机理、应用与展望【答】一、绪论等离激元(Plasmon)作为一种重要的现象，由金属表面上的电子表现出来，是新型物理现象和光电子学的重要内容，它也是先进光电磁大学中重要的研究热点之一。

在机理、应用、以及展望等方面研究的广泛，得到了学界的广泛关注。

由于等离激元效应可大大地增强表面分子间的相互作用及其对外界环境的反应敏感性，提高其生物感应能力，从而为生命科学的研究带来了前所未有的可能性。

本文结合已有研究成果，以及最新实验结果，详细介绍了金属表面等离激元——机理、应用与展望。

二、等离激元机理等离激元（plasmon）可以定义为一种金属表面上的单子波形，其特殊性质和独特特性使其在许多系统中成为研究焦点，在很多应用中有其重要作用。

等离激元是由金属表面上的电子围绕单个金属原子团产生的电磁振动所形成的。

当高能量的电波沿金属表面传播时，其电子表现出一种极端的动力均衡状态，产生了特殊的电磁波，就是等离激元效应。

等离激元效应可以大大地增强表面分子间的相互作用及其对外界环境的反应敏感性，提高其生物感应能力。

除此之外，金属表面等离激元还可以与表面例如等离子体、表面磁矩场、磁致液晶等效应结合使用，从而实现器件的调控、性能优化等，在电子纳米器件的设计与制备中具有重要的作用。

三、等离激元应用金属表面等离激元的应用十分广泛，其中最大的应用可以说是现代光电子学中。

金属等离激元是具有极高光吸收、很高体积灵敏度和超高分辨率等特性的一种新型紫外线检测器，在紫外检测、生物传感器、光动力学等方面有着非常重要的作用。

此外，金属表面等离激元还可以用于分子检测、过滤器件制备、光电探测、荧光图像与磁共振影像、光伏器件等等。

以上应用证明，金属表面的等离激元效应具有突破性的应用前景，对于现代科学技术发展具有不可替代的作用。

四、等离激元展望等离激元的应用目前正处于蓬勃发展的阶段，研究者也正在寻求多样性和复杂性的新设计，对于金属表面等离激元的应用和未来发展也有着极大的期望。

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:在垂直于界面的方向场强呈指数衰减;能够突破衍射极限;具有很强的局域场增强效应;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：，其中是表面等离激元波矢，是光波波矢。

一般来说，对于介质；而对于金属，。

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。

目前主要通过全反射和散射波矢补偿两种方法。

应用：随着表面等离激元理论研究的深入以及各种结构的器件的成功制作，其在光学各领域应用具有巨大的潜力，尤其在解决了一些以往光学长期不能解决的问题，其中包括金属亚波长结构的增透效应在超分辨率纳米光刻、高密度数据存储、近场光学等领域的应用。

表面等离激元光谱增强

表面等离激元光谱增强表面等离激元（Surface Plasmon Resonance，SPR）光谱增强是一种在表面等离激元共振技术基础上进一步提高灵敏度和检测性能的方法。

表面等离激元是一种在金属表面上产生的电磁波，与介质中的光波耦合，形成共振现象。

这一现象在传感、生物医学和化学分析等领域得到了广泛的应用。

以下是关于表面等离激元光谱增强的一些主要内容：1. 表面等离激元原理表面等离激元是一种发生在金属表面上的电磁波，其产生的机制涉及到金属电子和电磁波之间的耦合。

当金属表面上存在电子的集体振荡时，这些电子将与入射的光波发生耦合，形成表面等离激元。

SPR的共振条件取决于金属、介质和入射光的性质，因此可以通过调整这些条件来实现对SPR的控制。

2. 表面等离激元光谱SPR技术通过监测光在金属表面上的反射来获取信息。

在共振条件下，入射光的反射将发生突变，这种变化与与金属表面相互作用的生物分子或化学物质的特性有关。

因此，通过检测SPR光谱的变化，可以实现对生物分子的检测和分析。

3. 光谱增强技术为了提高SPR技术的灵敏度和检测性能，研究人员开发了一系列光谱增强技术。

其中的一些关键方法包括：纳米结构设计：通过在金属表面引入纳米结构，如纳米颗粒或纳米孔洞，可以增加SPR效应，提高检测灵敏度。

纳米颗粒增强：利用金属纳米颗粒的局域电磁场增强效应，可以在SPR信号中引入显著的增强。

表面增强拉曼散射（SERS）：结合SPR和SERS，可以实现对表面吸附物质的高灵敏检测，特别是对于小分子的检测。

二维材料：使用二维材料，如石墨烯，作为表面支持材料，可以在SPR效应中引入新的调控机制，提高灵敏度。

4. 应用领域表面等离激元光谱增强技术在生物医学、化学分析和环境监测等领域有广泛的应用。

例如，在生物传感器中，通过将生物分子固定在SPR传感器表面，可以实现对生物分子的高灵敏检测，包括蛋白质、DNA和细胞等。

5. 挑战和前景尽管表面等离激元光谱增强技术在许多方面取得了显著进展，但仍然存在一些挑战，如实验复杂性、制备成本和稳定性等。

人工表面等离激元色散调控及应用读书札记

《人工表面等离激元色散调控及应用》读书札记一、人工表面等离激元的基本原理在阅读《人工表面等离激元色散调控及应用》我对书中阐述的人工表面等离激元的基本原理有了深入的理解。

人工表面等离激元是一种在人工结构表面存在的电磁模式，其基本原理涉及到光学、电磁学、量子物理等多个领域的知识。

等离激元是一种在介质与金属界面上存在的电磁表面波，在光与物质相互作用的过程中，当光子与金属表面的自由电子相互作用时，会产生一种非辐射的电磁模式，即等离激元。

而人工表面等离激元则是在人工设计的微纳结构中产生的等离激元，其特性可以通过设计结构进行调控。

人工表面等离激元的产生和特性受到多种因素的影响，其中包括光源的性质、介质的性质、金属的性质以及微纳结构的几何形状和尺寸等。

通过调控这些因素，我们可以实现对人工表面等离激元的色散特性的调控，即调控其传播特性、频率特性等。

在阅读过程中，我了解到了一些调控人工表面等离激元的常用方法，如改变微纳结构的形状、尺寸、排列方式等。

还可以通过引入其他物理场（如电场、磁场）进行调控。

这些方法为人工表面等离激元的应用提供了广阔的空间。

理解人工表面等离激元的基本原理是掌握其在各种应用中的关键。

无论是在光子器件、集成电路、生物医学成像等领域，都需要对人工表面等离激元的产生、传播、调控等有深入的理解。

我们才能更好地利用人工表面等离激元来实现各种功能和应用。

1. 等离激元的定义与性质等离激元是一种存在于介质中的电荷激发状态，它由电磁波在特定频率范围内的特定介质结构内引发振荡产生。

这些振荡现象主要表现为电场与材料表面或亚表面载流子的相互作用，并由此引发电磁场的能量流动与模式分布的变化。

等离激元是一种电子与电磁场耦合的量子化振荡现象，这种量子化特性使它们在微电子学和光学器件中有着广阔的应用前景。

通过对特定的介质结构进行调控，我们可以实现对等离激元的色散特性进行精准控制，从而在调控光子传播过程中实现高性能的功能。

而在人工表面下，通过设计特定的结构和材料，我们可以实现对等离激元的灵活调控和应用。

表面等离激元

表面等离激元
表面等离激元是一种物质表面上生成的量子现象，它是由电子或
其它粒子的表面辐射而产生的。

表面等离激元也被称为薛定谔光子，又或通常称为表面等离激元散射或表面等离激元发射，它是
当电子和其它粒子受到较高能量条件的冲击，高能粒子释放出的
物质表面上的微小散射现象。

表面等离激元的发现可追溯到二十世纪的晚期，当时物理学家薛
定谔假设了一种解释辐射的力学模型，可用来解释电子在物质表
面受到辐射时、所产生的等离激元现象。

这样，当具有足够高能
量的电子或其它高能粒子（比如X射线等）击中某种物质表面时，将会产生表面等离激元现象，从而激发电子并使其跃迁到更高的
能量状态，从而排放出光子。

表面等离激元散射现象是这种现象
的特征表现。

表面等离激元的研究为物理和材料科学提供了丰富的研究方向。

它可以被运用于物质表面外延生长中的自体表面活化，以及电子学、材料学和光电子学等领域。

在生物学领域，表面等离激元还可用来研究细胞膜外层结构的形成和固态变化等。

此外，该现象还在应用物理、工程、医疗等领域不断拓展其研究面，也正在被用于先进的材料设计和表面增强等技术。

因此，表面等离激元是一种由物质表面受到高能量冲击而发出的量子现象，它具有广泛的应用前景
可用于物理、工程、生物学及其它领域等。

它不仅使科学家们获得更大的自由度去探索表面辐射现象，而且希望能为更多领域的研究带来重要信息，并有助于人们了解空间的辐射现象。

第五课：表面等离激元


z=0
n （ D2 D1 ) n ( E2 E1 ) 0


z≠0
0, ( z 0) ( z ) 1, ( z 0)
代入
z=0
Retarded regime (light speed c is finite)
由麦克斯韦方程组：
可以证明：s-polarized wave (TE mode) 在表面上不能存在！ 因此，我们只考虑 p-polarized wave (TM mode)：
表面等离激元
局域在表面（界面）附近的电子密度振荡
振荡波沿着表面方向传播
表面等离激元的经典描述 (non-retarded regime, light speed c)
由麦克斯韦方程组：
=0 =0
真空-金属界面的等离激元
Φ(z) δn n0 METAL ε(ω)
VACUUM
ε(ω)=1
0
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
e e-
e e-
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+
n0
ε (ω )
d//
ε (ω )=1 0
z
B
d⊥
V (V z B )
( ) Ei ( z, q, ), ( z B), Di ( z, q, ) Ei ( z, q, ), ( z V ).
对任意z:Βιβλιοθήκη s cq s / c
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现在讨论w>wp的情况。 当w很大时， wτ>>1，金属的介电函数可以忽略虚 部只考虑实部，可以近似为：
2 p ( ) 1 2
2 2 p K 2 c2
当w>wp，则允许电磁波以群速度 vg=dw/dK<c在金属中传播。当w=wp时， epsilon(w)=0,它所对应的激发必然是电子的 集体纵振动。因为D=0，可以知道电场在wp 是一个纯粹的退极化场E=-P/epsilon0.其运 动状态可以想象为：离子是一块固定的正电 薄板，而电子行成的电子层相对薄板会作来 回不停地纵振动。
表面等离子体激元（SPP）是电磁波河金属表面的电子耦合，电子在金属/ 电介质界面上作集体振荡，它是一种表面波，其能量是沿着金属的表面传播， 垂直于金属表面的方向能量是指数衰减的。 其中，alpha_d,alpha_m分别满足 下面的关系
2 2 k 2 d k0 d 2 2 k 2 m k0 m
应该指出，早期的实验数据以及结论未必全都可信。这在很大程度上与测量 所带来的误差大小有关，也与当时实验资料的占有程度有关。比如，后来的工作 就表明，透射峰的位置不仅与周期有关，而且还与孔的大小、形状有关。近来， 原作者之一Thio 撰文指出[T.Thio, American Scientist94,40(2006)]，上面的增强 因子被严重高估。原因在于，实际所用的孔径比名义上的数值（d =150nm）要 大得多。翻开他们同一年在PRB上发表的文章（见原文[13]中的图1）就可发现， 小孔的直径差不多要有300nm。这样一来，增强因子就从600 减为区区的不到10 了！
利用电磁场边界条件,可得
d / m d / m
kspp

m d c m d
对于TE偏振，计算无解。也就是说，TE偏 振不能形成表面模。所以看出，spp的存在 条件有二。首先，为了使电磁场能够局域于 金属的表面，alpha_d和alpha_m都应该为 正值，那么epsilon_d和epsilon_m互为异号。 这就要求界面的一侧为具有负介电常数的材 料，比如金属。其次，为了能使得spp能够 沿着金属表面传播，kspp应为实数，这就要 求epsilon_d+epsilon_m<0.
物理机制的讨论： （1）表面等离子体激元模型 （2）动力学衍射模型
（3）双波模型
a.表面等离子体激元模型
诚然，Ebbesen 等人的观点既合乎常理，又能解释部分实验事实。尤其是SPP 在其中起着至关重要的作用，这不能不让人感到兴奋。因而，SPP 模型得到广泛 的认同和接受。不过，在解释一些实验事实上，SPP 却遇到了困难。比如，理论所 预言的透射峰的位置与实验测量并不相符（通常要小10%左右）；而且，透射峰的宽 度也比SPP 共振大得多；另外，理论研究还表明，穿孔的理想金属膜（或非金属膜） 也能产生类似的增强透射现象，而它却不支持SPP。这样，SPP 模型受到了一些人 的强烈反对。为此，双方展开了激烈的争论。 首先，Treacy 发表文章认为Appl.Phys.Lett.75,606(1999)&Phys.Rev.B,66,195105 (2002)]，金属光栅中的增强透射效应可完全依据动力学衍射理论来解释；SPP 仅仅 是衍射波场的固有组成部分，因而不起任何独立的作用。他对一维金属光栅作了理论 计算并得到了类似的透射特征，但结果未能与实验比较。2002 年，Cao 等再次指出 [Q.Cao and lanne, Phys. Rev.Lett,88,057403(2002)]，在一维金属光栅的透射中， SPP 实际上起着一个负效应。这一点与Lochbihler 在较早时提出的观点一致 [H.Lochbihler,Phys.Rev.B,50,4795(1994)]；
kspp

m d c m d
SPP的激发需要同时满足能量和动量守恒。由于其色散关系位于光线的右侧，因而 SPP不能由入射光直接来激发。
1968年Otto采用衰减全反射（ATR)的方法首次实现光波与表面等离 子体的耦合；A.otto,Z,Physik216,398(1968) 随后，Otto方法被Kretschmann作了进一步的改进（Kretschmann方 式）;E.Kretchmann,Z,Physik 248,313(1971)
棱镜耦合
波导耦合(J.Homola,Analy. Bioanaly.Chem.377(3),528(2003))：将金属薄膜做 在光波导的一侧；当波导模的传播常数与SPP相匹配时，金属外侧的SPP即可 被共振激发。 光栅耦合：当光波入射到金属光栅表面时，由于散射和干涉作用，衍射波得以 产生，其切向波矢分量由光栅的倒格矢提供，在特定波长处，某一阶衍射波刚 好与spp匹配，表面等离激元能够被有效地激发。
2
) E (t )
ne2 这里， , 称为金属的等离子体频率（Plasma Frequency）， 0m
2 p
它所对应的介电函数（ p）=0,进而可以得到金属介电函数的表达式为：
）=1（
2 p
2 i
如果写为（ ）= （ 1 ）+i 2 ( ), 则
2 2 p 1 ( ) 1 1 2 2 2 p 2 ( ) 1 (1 2 2 )
当w<wp时，金属的介电函数的实部是负数。当w>wp时，由于wτ >>1， 其介电损耗就可以忽略，此时的介电常数是以正数，金属就完全变成了 电介质，这就是著名的Drude模型推导的介电函数的表达式，金属的电磁 性质它都可以反映出来。但实际中的金属往往都存在带间跃迁，从而引 起介电函数的虚部在相应的频率范围内增大。如果希望更准确地描述金 属的介电性质，则必须在原来的基础上加入带间跃迁的影响，也就是将 Drude模型修正为Drude-Lorentz模型
b. 动力学衍射模型
2004 年，Lezec 和Thio 针对增强透射现 象也提出了一个类似的模型——消逝波复 合衍射（CDEW，Composite Diffracted Evanescent Waves）模型[36]，他们也认 为增强透射效应本质上就是光的散射过程。 如图2-4 所示，光入射在样品表面时，就 会被小孔（或狭缝）都散射为可以自由传 播的辐射波（蓝线）和只能沿表面传播的 消逝波（红线）；这些消逝波在表面则进 行相干叠加（如图2-4 所示）。他们认为， 在小孔（或狭缝）的入口处，如果消逝波 干涉加强，则可导致透射极大；如果干涉 相消，则对应于透射极小。如果某一消逝 波和SPP模式匹配就可激发表面等离激元， 所以SPP也是消逝波，但SPP只是众多消 逝波中的一分子，其作用也是微不足道的。 为了证明增强透射和SPP没有直接的联系， 他们还用非金属材料作了对比实验，并观 测到了增强透射效应，只是强度比金属材 料低得多，他们将此归因于所用材料对光 有强烈散射造成的。
除此以外，利用近场光学显微镜，金属表面的缺陷结构等都可以激发spp
Part 2
我们知道，在透镜成像的过程中，由于衍射效应的存在，物点所成的像实为一 衍射光斑（Airy斑）。这一光斑的大小约为波长的二分之一，这就是通常所谓的 “分辨极限”。为突破衍射极限，1944年，Bethe 针对理想导电且又无限薄的 金属屏上的亚波长小孔，推导出了一个确切的透射率的表达式（正入射）
( ) 1 ( ) i 2 ( ) ( ) 1 ( ) i 2 ( )
可以看出电导率的实部对应介电函数的虚部代表吸收， 而电导率的虚部对应于介电函数的实部表示极化强度的大小
如果没有外界的激励源，Maxwell方程组的行波解形式可以写为：
2 D E 0 2 t K ( K E ) K E ( K , )
64 2 a 4 T ( )( ) 27
可以看出，一个明显的特征是，透射谱中出现了一系 列的峰、谷结构。除了 位于紫外（λ = 326nm，对应于体plasmon 频率）的 透射峰以外，在长波长的范 围内还有两组突出的透射极大（1000nm、1370nm） 和透射极小（900nm、1270nm）。尤其让人感到惊 奇的是，后一个透射峰位于1370nm；此波长约为小 孔直径的10倍。而且，其透射效率为4.4%；如果对 小孔的占空比（2.2%）进行归一化，则相对透射率 将达到2。这意味着，将有两倍于直接入射到小孔上 的光能够被透射；或者说，有一部分光即使没有入射 到小孔上也能被透射。而根据Bethe 的理论，这样大 的小孔，其透射效率充其量也不过3.4e−3。据此可知， 小孔阵列能够产生近600 倍的透射增强。 此外，他们还测试了透射谱对一些参数（如周期、孔径、膜厚及金属材料等） 的依赖关系，并发现了一些共同的特征。如:透射峰的位置决定于周期，而 与孔径、膜厚及金属的种类无关；透射峰的宽度决定于孔径与膜厚的比，孔径 越大、膜厚越小，则峰越宽；而且，透射峰的高度依赖于膜厚，膜越厚，则峰 越低。另外，至关重要的一点是，薄膜必须为金属膜；如果是非金属材料，则 无透射增强效应。
D( K , ) 0 ( K , ) E ( K , 0 ( K , ) E ( K , ) J (K ,) (K ,)E(K , )
(K , ) 1
2
2
c2
E
(1)横波时，K.E=0,其色散关系为
K (K , )
2
2
c2
(2) 纵波时,K.E=KE,则：
( K , ) 0
这表面只有在某一个频率下，介电函数为0，电子的振荡为集体纵振荡， 此对应着金属中体等离激元的激发，下面会继续讨论。
我们知道，在凝胶模型中，金属可以看成是以正离子为背景的电荷密度为n的 自由电子。金属中的电子在外加电磁场的驱动下振动，其运动阻尼主要来自 电子间的碰撞，电子连续两次碰撞的时间为称为弛豫时间τ ，室温下金属中 的电子的弛豫时间约为10e-14s，而弛豫时间的倒数被称为电子的特征碰撞频 率。在外电场E的驱动下，电子的运动可以写为：