表面等离子体激元论文.docx

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1、图2SPPs色散关系表面等离子体激元引言表面等离子体激元（SurfacePlasmonPolaritons,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口由电子和光子相互作用形成的混合激发态。在这种相互作用屮，自由电子在与其共振频率相同的光波照射下发生集体振荡。它局限于金属与介质界面附近,沿表面传播，并能在特定纳米结构条件下形成光场增强，这种表面电荷振荡与光波电磁场之间的相互作用就构成了具有独特性质的SPPso导体中SPPs的激发，使利用金属等导体材料

2、來控制光的传播成为现实，但受电子元件工艺制作水平的限制，在微米、纳米尺寸的元件和回路成功运用之前,SPPs并没有显露出它的特性，亦不为人们所关注。随着工艺技术的长足进步，制作特征尺寸为微米和纳米级的电子元件和冋路已逐渐成熟，人们乂重新点燃对SPPs的极大热情并开展重点研究。目前，SPPs已经被应用于生物、化学、传感、光电子集成器件等多个领域。实际应用中，只有当结构尺寸可以与SPPs传播距离相比拟时，SPPs特性和效应才显露出來，有时候也用表面等离子体共振（SurfacePlasmonResonance

3、,SPR）技术来描述其相关特性。1表面等离子体的原理表面等离子体（surfaceplasmons,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血传播的电子疏密波。它在表血处场强最大，在垂直于界面方向是指数衰减场，它能够被电子也能被光波激发。其产生的物理原理如下：如图1所示，在两种半无限大、各向同性介质构成的界面，介质的介电常数是正的实数，金屈的介电常数是实部为负的复数。金属表面的自由电子和光波产生共振相互作用，决定了表面等离子波的独特特性。SPPs有两个明显的特征：（1）S

4、PPs在传播方向上具有比光波大的传播波矢（即更短的波长）。（2）在与传播方向垂直的方向上是消逝场。2表面等离子体的基本特性2.1SPPs的色散关系众所周知，在可见光和近红外波段,光波不能直接与光滑金属表面上等离子体耦合（光被反射或散射），究其原因对以从色散曲线上来解释。以空气为例，空气和银界面上的SPPs色散关系如图所示。从图2可以知道，在低频段SPPs的色散曲线与光在空气中的色散曲线靠近，频率越低的模式其相速度越接近光速c,频率越高SPPs色散曲线越会偏离光在空气中的色散曲线，并且向一个固泄的频率值

5、趋近，这个值叫做表面等离子体频率，其大小为:%=叫I迈（叫为等离子体振荡频率）通过计算分析可得到SPPs色散方程张）=-式中，®表示金属或者半导体介质J表示电介质；表示光在真空中的波矢的值。实际上SPPs色散方程是个复数方程，则SPPs平行于边界而方向上的波矢可以表示为实部和虚部的和。2.2SPPs的波长表面等离子体激元的波长入〃就是金属表面电子的振荡周期。对导体6=5=5+©，从SPPs波矢的实部k'=—^£^£7/£7，可得到SPPs的波长入〃=2龙//,如果在金属表面加工各种周期调制结构，以实

6、现对表面等离子体激元的控制，那么这个结构周期必须与入”同一量级。2.3SPPs在界面上的传播距离co6由于表面等离子体平行于分界面上的波矢还有虚部，k^=-°了,—,Qq+S丿2（$[这说明这种表面传播模式是有衰减的，电磁场强度以exp（-2k々）的形式衰减。定义当强度下降到初始值的1/e时，所传播的长度为有效传播长度L,即2k"co表面等离子体激元的传播距离，决定了利用SPPs的光学元器件及光路的大小尺度。通过波失与波长的关系可以得到：入射光频率越低波长越长，所对应的传播长度就会越大。2.4SPPs

7、穿透深度表面等离子体激元穿透深度是非常有意义的特征参数。利用色散关系可以求得SPPs在电介质和金属中的穿透深度分别为J+6由上式可以看出：SPPs在电介质屮的穿透深度，决定了电介质的最小厚度，在金属屮的穿透深度决定了SPPs光学器件的最小尺寸。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血等离子体波。为了激励表面等离子体波，需要引入-些特殊的结构达到波矢匹配，常用的结构有以下几种：(1)波导结构：利用波导边界处的消逝波激发表面等离子体波

8、，使波导屮的光场能量耦合到表血等离子体波中。波导两侧光波是消逝波，当在波导的某个位置镀上金属吋，光波通过这个区域的时候就能够激发出表面等离子体波。在实际的研究中，常采用光纤做波导，剥去光纤某段的包层，再镀上金属，这样就实现了一种最简单的波导激发表面等离子体波的结构。(2)棱镜耦合：棱镜耦合的方式包括两种，一种是Kretschmann结构；另一种是Otto结构。Kretschmann结构适用于金属薄膜，如图3(a)所示，入射光以大于全反射角的角度入射，利用