仿表面等離激元器件概述

1、XXXXXX仿表面等離激元的應(yīng)用研究01知識(shí)普及目錄目錄0202030405020304研究背景和意義理論分析SPPs研究概況LSPs研究概況01知識(shí)普及Zhi Shi Pu JiPART ONE031.表面等離激元在光波段，在金屬表面區(qū)域的一種自由電子和光子相互作用形成的表面電磁模，這種電磁模式的特點(diǎn)是其場(chǎng)強(qiáng)在金屬與介質(zhì)的交界面處達(dá)成最大值，而在垂直于交界面的方向隨離交界面處距離的增大其場(chǎng)強(qiáng)呈指數(shù)衰減，通常在金屬內(nèi)的衰減速度更快。04局域表面等離激元傳導(dǎo)性表面等離激元表面等離激元LSPs局域在各種不局域在各種不同形貌的曲面上，同形貌的曲面上，其色散關(guān)系一般和其色散關(guān)系一般和介質(zhì)形貌，密切相介

2、質(zhì)形貌，密切相關(guān)，是一種非傳播關(guān)，是一種非傳播模式，具有兩維的模式，具有兩維的空間局限性空間局限性SPPs的色散是一種的色散是一種簡(jiǎn)單的傳播模式，簡(jiǎn)單的傳播模式，具有一維空間局限具有一維空間局限性。性。1.表面等離激元05仿表面等離激元06通過技術(shù)手段降低其等離子頻率從而通過技術(shù)手段降低其等離子頻率從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的強(qiáng)束縛，表面電磁特實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的強(qiáng)束縛，表面電磁特性類似于性類似于SPs稱之為仿表面等離激元稱之為仿表面等離激元（spoof SPs）摻雜半導(dǎo)體或高溫超導(dǎo)體結(jié)構(gòu)化金屬表面在金屬表面刻蝕亞波長(zhǎng)尺寸的周期性凹槽或者空洞陣列通過離子注入、熱激發(fā)和光激發(fā)等手段改變摻雜半導(dǎo)體的載流子濃度，使

3、其等離子體頻率落在Thz附近，從而在Thz波段實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的強(qiáng)束縛仿表面等離激元07摻雜半導(dǎo)體或高溫超導(dǎo)體結(jié)構(gòu)化金屬表面02研究背景和意義PART TWOYan Jiu Bei Jing He Yi Yi SPs的電磁場(chǎng)都被束縛在交界面處很小的范圍內(nèi)，這種束縛是由金屬表面的電子和電磁波的強(qiáng)相互耦合作用引起的，所以它可以突破光的衍射極限實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)光學(xué)器件，因而在納米光子器件設(shè)計(jì)及集成納米光子學(xué)領(lǐng)域越來越受到廣泛關(guān)注科學(xué)家們想把它引入到低頻段，卻發(fā)現(xiàn)此種表面電磁模式是不存在的或者說是特別微弱的。1.仿表面等離激元研究背景09研究意義10 Spoof SPs 能夠能夠在頻率相對(duì)較低的在頻率相對(duì)較低的

4、波段實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波波段實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的亞波長(zhǎng)束縛的亞波長(zhǎng)束縛若集成度、功若集成度、功能和成本等方面有能和成本等方面有新的突破新的突破對(duì)保密雷達(dá)、對(duì)保密雷達(dá)、通信、遙感通信、遙感及及生物生物化學(xué)檢測(cè)等微波毫化學(xué)檢測(cè)等微波毫米波技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域米波技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生更加深遠(yuǎn)影響產(chǎn)生更加深遠(yuǎn)影響因此，基于仿表面等離激元的研究具有重要的意義03理論分析PART THREELi Run Fen Xi1.導(dǎo)行電磁波的波動(dòng)方程12JtDHD0BEDr0HBr00, 0J022EErkEEE2)(etjrEtrE)(),(tBExryzEjzHyH0 xyzHjzEyE0yzxHjxEzE0zxHjyExE0yyrzx

5、EjxHzH0zrxyEjyHxH0tDHtBE0)(22022yryEkzE0)(22022yryHkzH2.金屬/介質(zhì)交界面上的SPPs13討論最簡(jiǎn)單的單個(gè)金屬/介質(zhì)交界面上的SPPs的傳播，上半空間(z0)是介質(zhì)，下半空間是金屬2.金屬/介質(zhì)交界面上的SPPs14對(duì)TM波：zkxjxeekjAzE121011)(zkxjzeeAzE1101)(Z0Z0zkxjyeeAzH22)(zkxjxeekjAzE222021)(zkxjzeeAzE2202)(zkxjyeeAzH11)(交界面上Hy和Ez的連續(xù)性1212kk(A1=A2)SPPs 只存在于兩種介電介電常數(shù)的實(shí)部常數(shù)的實(shí)部符號(hào)相反符

6、號(hào)相反的媒質(zhì)的交界面上， 即金屬/介質(zhì)的交界面上12021kk22022kk21210k同理可知對(duì)TE波SPPs是不存在的，即SPPs僅存在于電磁波為TM極化波3.SPPs傳播特性的兩個(gè)重要參數(shù)15傳播長(zhǎng)度：將SPPs的強(qiáng)度衰減為其初始值1/e的長(zhǎng)度定義為其傳播長(zhǎng)度L2/31112)()()(2)(Im21rrirL穿透深度：電場(chǎng)振幅衰減到最大值1/e的距離定義為穿透深度在金屬中：在介質(zhì)中：|)()(|1220mrrk|)(|12220drk04SPPs研究概況PART FOURSPPs Yan Jiu Gai Kuang1.結(jié)構(gòu)化金屬表面以及仿表面等離激元的概念提出結(jié)構(gòu)化金屬表面以及仿表面等

7、離激元的概念是由英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院的Pendry 教授等人提出。在金屬表面刻蝕邊長(zhǎng)為 a，周期為 d的 亞波長(zhǎng)空洞陣列，空洞陣列的引入可以增強(qiáng)電磁波的透射作用從而降低金屬表面的等離子體頻率。使原本不支持 SPPs的金屬表面，不但可以支持 SPPs 的傳播，還能實(shí)現(xiàn)電磁波的亞波長(zhǎng)束縛。17多種 spoof SPPs 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)被提出18基于Spoof SPPs的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用19分束器寬帶慢波器多路分波器2.CSPs(Conformal Surface Plasmons)概念的提出2013年，東南大學(xué) X. P. Shen 等人提出了共形表面等離激元的( CSPs)概念, 他們提出在超薄可彎曲的

8、介質(zhì)薄膜上的帶有周期性矩形凹槽的無限薄金屬帶結(jié)構(gòu)， 實(shí)現(xiàn)在低頻段支持 spoof SPPs 的傳播，這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的強(qiáng)束縛，具有較小的彎曲損耗和較大的傳播長(zhǎng)度。 20多種基于 CSPs 的平面結(jié)構(gòu)波導(dǎo)及無源器件相繼被提出CSPs 概念的提出為研究者提供了一個(gè)思路，那就是在微波和 THz 波段，覆蓋超薄金屬層的介質(zhì)板（或介質(zhì)薄膜） 表面的金屬層上刻蝕周期性亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，可以支持 spoof SPPs 的傳播，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電磁波的亞波長(zhǎng)束縛，而這種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)它是平面的，可以實(shí)現(xiàn)與 PCB 印制板電路的完美結(jié)合，為集成表面等離激元無源器件的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。THz 波段環(huán)形諧振器結(jié)構(gòu)及加工樣品21

9、多種基于 CSPs 的平面結(jié)構(gòu)波導(dǎo)及無源器件相繼被提出22利用傳統(tǒng)的共面波導(dǎo)(CPW)結(jié)構(gòu)，通過設(shè)計(jì)平滑過渡轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)從普通導(dǎo)行波向 spoof SPPs 高效的寬頻帶激勵(lì)利用微帶線激勵(lì)的普通導(dǎo)行波向 spoof SPPs 結(jié)構(gòu)多種基于 CSPs 的平面結(jié)構(gòu)波導(dǎo)及無源器件相繼被提出23(a) CPW 激勵(lì)的對(duì)稱雙周期性金屬光柵結(jié)構(gòu) (c) 超薄結(jié)構(gòu)的雙路分波器 (b) 帶地的對(duì)稱雙周期性金屬光柵互補(bǔ)波導(dǎo)結(jié)構(gòu) (d) 與 SIW 結(jié)構(gòu)合成的通頻帶可調(diào)帶通濾波器05LSPs研究概況PART FIVELSPs Yan Jiu Gai Kuang1.spoof LSPs國(guó)內(nèi)外研究概況LSPs 可以把

10、電磁場(chǎng)的能量束縛在一個(gè)很小的尺度， 它主要存在于具有封閉表面的微小顆粒上。因?yàn)?LSPs 可以在諧振時(shí)產(chǎn)生場(chǎng)局域增強(qiáng)的效果，因此其在近場(chǎng)光學(xué)、 化學(xué)和生物傳感、 表面增強(qiáng)光譜學(xué)、等離子體天線以及光伏太陽能等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。二維刻槽圓柱形理想結(jié)構(gòu)25 A. Pors 等人提出在二維 圓柱形理想導(dǎo)體上刻有周期性凹槽的結(jié)構(gòu)化金屬表面，在凹槽內(nèi)填充折射率為 ng 的介質(zhì)，可以在頻率較低的微波和 THz 波段支持 LSPs 諧振并且將其稱之為 spoof LSPs2.回音壁傳感器(whispering gallery mode, WGM)上面部分為二維刻槽圓柱形理想導(dǎo)體諧振結(jié)構(gòu)，下面部分為氧化鋁

11、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，電磁波從端口 A 進(jìn)，從端口 B 出。當(dāng)電磁波耦合到上面的刻槽圓柱結(jié)構(gòu)上時(shí)會(huì)產(chǎn)生多個(gè)品質(zhì)因數(shù)很高的諧振點(diǎn)，改變待測(cè)介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù) r，其諧振點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生明顯的偏移，從而實(shí)現(xiàn)作為傳感器的目的。該結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的介質(zhì)傳感器相比，在相同的尺寸的前提下，其靈敏度更高26多頻帶 multi-band spoof LSPsZ. Li等人又研究了在封閉的圓柱形理想導(dǎo)體腔體內(nèi)側(cè)刻蝕有周期性凹槽的二維結(jié)構(gòu)，凹槽內(nèi)部同樣填充折射率為 ng 介質(zhì)材料，如圖 1.8(a)所示，該結(jié)構(gòu)同樣可以在低頻段支持 spoof LSPs 諧振54。緊接著他們又研究了在封閉的圓柱形理想導(dǎo)體腔體內(nèi)側(cè)刻蝕有雙周期性凹 槽 的 二 維 結(jié) 構(gòu) ， 如 圖 1.8(b)所示，該結(jié)構(gòu)上同樣可 以 支 持 m u l t i - ba n d spoof LSPs27薄介質(zhì)層表面的超薄刻槽金屬圓盤X. P. Shen 等人提出了薄介質(zhì)層表面的超薄刻槽金屬圓盤，同樣可以支持spoof LSPs 的多極諧振模式。實(shí)驗(yàn)中用一根單極子作為激勵(lì)來激發(fā)刻槽圓盤表面的 spoof LSPs 諧振，同時(shí)在相對(duì)的另一邊用一根探針來檢測(cè)刻槽金屬圓盤上的電場(chǎng)幅值。 同時(shí)，他們還發(fā)現(xiàn)當(dāng)圓盤表面的介質(zhì)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)會(huì)引起各極諧振點(diǎn)頻率的顯著偏移。因此，該結(jié)構(gòu)還在用于介質(zhì)測(cè)量的傳感領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用價(jià)值28雙圓盤Fan