表面等離子體激元簡(jiǎn)介

1、表 面 等 離 子 體 激 元 簡(jiǎn)介精品資料僅供學(xué)習(xí)與交流，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系網(wǎng)站刪除謝謝2 表面等離子體激元簡(jiǎn)介一表面等離子體激元表面等離子體（ surface plasmons ）的出現(xiàn)提供了一種在納米尺度下處理光的方式。表面等離子體通?？梢苑殖蓛纱箢?局域表面等離子體共振（localized surface plasmon resonance ）和表面等離子體激元（ surface plasmon polaritons ）。局域表面等離子體共振專指電磁波與尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的金屬納米粒子中的自由電子的相互耦合，這種等離子體只有集體共振行為，不能傳播，但可以向四周環(huán)境輻射電磁波。局域表面等離子體共

2、振可以通過(guò)光直接照射產(chǎn)生。表面等離子體激元指的是在金屬和電介質(zhì)分界面上傳播的一種元激發(fā) excitations），這種元激發(fā)源自電磁波和金屬表面自由電子集體共振的相互耦合。表面等離子體激元以指數(shù)衰減的形式束縛在垂直于傳播的方向，由于它的傳播波矢要大于光在自由空間中的波矢，電磁波被束縛在金屬和電介質(zhì)的分界面而不會(huì)向外輻射，也正是因?yàn)檫@種獨(dú)特的波矢特性，表面等離子體激元的激發(fā)需要滿足一定的波矢匹配條件。二spps的激發(fā)和仿真方法由于 spss的波矢量大于光波的波矢量，或者說(shuō) spps的動(dòng)量與入射光子的動(dòng)量不匹配，所以不可能直接用光波激發(fā)出表面等離子體波。為了激勵(lì)表面等離子體波，需要引入一些特殊的結(jié)

3、構(gòu)達(dá)到波矢匹配，常用的結(jié)構(gòu)有以下幾種：（1）棱鏡耦合：棱鏡耦合的方式包括兩種，一種是kretschmannt方式；另一種是otto 方式。（ 2）采用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)（ 3）采用衍射光柵耦合精品資料僅供學(xué)習(xí)與交流，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系網(wǎng)站刪除謝謝3 （4）采用強(qiáng)聚焦光束（ 5）采用近場(chǎng)激發(fā)。目前主要的仿真方法有以下三種（1）時(shí)域有限差分法 (finite difference time domain，fdtd)：fdtd 方法是把maxwell 方程式在時(shí)間和空間領(lǐng)域上進(jìn)行差分模擬，利用蛙跳式 (leaf flog algorithm) 空間領(lǐng)域內(nèi)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)進(jìn)行交替計(jì)算，電磁場(chǎng)的變化通過(guò)時(shí)間領(lǐng)域上更新來(lái)模

4、仿。優(yōu)點(diǎn)是能夠直接模擬場(chǎng)的分布，精度比較高，是目前使用較多的數(shù)值模擬方法之一。（2）嚴(yán)格耦合波法 (rigorous coupledwave analysis，rcwa) ：該方法是分析光柵的有利工具，它是基于嚴(yán)格的矢量maxwell 方程來(lái)分析。由于在很多的表面等離子的結(jié)構(gòu)中都會(huì)引入衍射光柵結(jié)構(gòu)，所以 rcwa 方法也被越來(lái)越多的學(xué)者用來(lái)分析相關(guān)的問(wèn)題，并且取得了不錯(cuò)的效果。（3）限元法(finite element method,fem) ：該方法是從變分原理出發(fā)，將定義域進(jìn)行有限分割，離散成有限個(gè)單元集合。通過(guò)區(qū)域剖分和分偏差值，把二次泛函的極值問(wèn)題化為普通多元二次函數(shù)的極值問(wèn)題，后者等

5、價(jià)于一組多元線性代數(shù)方程的求解。該方法分析的是一種近似結(jié)果，不過(guò)很多的問(wèn)題能近似模擬，目前應(yīng)用也比較廣泛。三spps的若干應(yīng)用 1. spps波導(dǎo) spps波導(dǎo)是實(shí)現(xiàn)納米光子回路的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上人們可以進(jìn)一步研制集成于金屬表面的各種spps器件，從而構(gòu)筑等離子體光子芯片。在這方面，武漢大學(xué)汪國(guó)平教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組的研究成果較為突出，并著有相關(guān)著作。在表面等離子帶隙結(jié)構(gòu)中引入線缺陷即可引導(dǎo)spps的傳精品資料僅供學(xué)習(xí)與交流，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系網(wǎng)站刪除謝謝4 播，通過(guò)設(shè)計(jì)缺陷的形狀可以實(shí)現(xiàn)spps的直線波導(dǎo)、彎曲波導(dǎo)以及分束波導(dǎo)等。 . 2spps耦合器 等離子體光子芯片具有輸出輸入端口，這些端口通

6、過(guò)spps耦合器，可以避免將遠(yuǎn)場(chǎng)光直接耦合到spps芯片中的納米光電子器件上。一個(gè)優(yōu)選的方案是將半球形狀的金屬納米顆粒與基于納米點(diǎn)的spps波導(dǎo)整合一起。當(dāng)聚焦的spps饋送進(jìn)耦合器中，傳播距離可達(dá)4.0m。納米點(diǎn)也能夠用于聚焦 spps，形成高近場(chǎng)強(qiáng)度和亞波長(zhǎng)寬度的光斑。3.spps新型光源 spps引發(fā)的電磁場(chǎng)，不僅能夠限制光波在亞波長(zhǎng)尺寸結(jié)構(gòu)中的傳播，而且能夠產(chǎn)生和操控從光頻到微波波段的電磁輻射。在有源光學(xué)材料附近附著金屬結(jié)構(gòu)，在金屬結(jié)構(gòu)表面誘導(dǎo)產(chǎn)生spps ，使得有源光學(xué)材料周同的光子態(tài)密度發(fā)生顯著變化，從而改變有源光學(xué)材料的自發(fā)輻射壽命，減弱非輻射過(guò)程對(duì)于其發(fā)光過(guò)程的影響，進(jìn)而提高發(fā)

7、光效率。利用spps能夠改善激光器的性能。例如，在sems 型硅基激光器中引入表面刻有光柵結(jié)構(gòu)的金薄膜結(jié)構(gòu)，選擇特定的鉺離子極化方向，受到外部光激發(fā)的鉺離子能夠有效誘導(dǎo)產(chǎn)生表面等離子體激元，研究結(jié)果表明：多層摻鉺硅單層的平均自發(fā)輻射壽命縮短了，相應(yīng)的sems 型硅基激-1光器在 1.54mm 波長(zhǎng)處的增益系數(shù)提高了24%(原增益系數(shù)為 30cm)。 4. spps納米光刻技術(shù) 2005年，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的zhang 等利用基于表面等離子體原理進(jìn)行納米光刻的實(shí)驗(yàn)舊，在365 nm波長(zhǎng)照明光作用下實(shí)現(xiàn)了超衍射分辨力光刻，對(duì)單線條的分辨力達(dá)到40 nm，對(duì)光柵線條的分辨力可達(dá) 60 nm。在該光刻實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)中，掩模版、間隔層、薄ag 板和光刻膠做成一個(gè)整體，薄ag 板通過(guò)電子束蒸發(fā)淀積而成，間隔層則是通過(guò)多次刻蝕達(dá)到要求的厚度，這一實(shí)驗(yàn)的報(bào)道，極大地推動(dòng)了 spps在光刻技術(shù)中應(yīng)用的研究。 5. spr傳感器利用表面等離子體共振現(xiàn)象研制光化學(xué)傳感器已引起人們的極大興精品資料僅供學(xué)習(xí)與交流，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系網(wǎng)站刪除謝謝5 趣，正成為傳感器領(lǐng)域的研究前沿。光纖spr傳感器在傳感機(jī)理上主要有兩類：一是利用倏逝場(chǎng)效應(yīng)，通過(guò)腐蝕或研磨掉包層后在纖芯表面鍍金屬膜，或在錐形光纖表面鍍金屬膜；二是在纖芯內(nèi)寫入長(zhǎng)周期光柵，將芯內(nèi)的模式在某一特定波長(zhǎng)轉(zhuǎn)化成包層高階模，使高階模與等離子體