第8章-基于表面等離子體結(jié)構(gòu)納米光集成

第八章基于表面等離子體結(jié)構(gòu)的納米光集成宋軍光學(xué)共振現(xiàn)象表面等離子體共振簡(jiǎn)介表面等離子體共振（Surfaceplasmonresonance，SPR），又稱(chēng)等離子激元共振，是一種物理光學(xué)現(xiàn)象。

k矢量的方向匹配

相同的頻率和波矢（即波長(zhǎng)）12與光的全反射有關(guān)電磁波共振條件基于SPR原理的SPR傳感技術(shù)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的，生命科學(xué)、醫(yī)療檢測(cè)、藥物篩選、食品檢測(cè)、環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用的一種新技術(shù)。（DNA與蛋白質(zhì)之間、蛋白質(zhì)分子之間以及藥物—蛋白質(zhì)、核酸—核酸、抗原—抗體等生物分子之間的相互作用）發(fā)展簡(jiǎn)史1902年，Wood在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)SPR現(xiàn)象1941年，F(xiàn)ano解釋了SPR現(xiàn)象1971年，Kretschmann結(jié)構(gòu)為SPR傳感器奠定了基礎(chǔ)1982年，Lundstr?m將SPR用于氣體的傳感（第一次）1983年，Liedberg將SPR用于IgG與其抗原的反應(yīng)測(cè)定1987年，Knoll等人開(kāi)始SPR成像研究1990年，BiacoreAB公司開(kāi)發(fā)出首臺(tái)商品化SPR儀器倏逝波（古斯?jié)h欣位移）的應(yīng)用近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡光纖倏逝波生物傳感器表面等離子體光學(xué)器件倏逝波什么是等離子體？什么是等離子體？固體

冰液體

水氣體

水汽等離子體

電離氣體溫度00C1000C100000C等離子體定義等離子體振蕩頻率表面等離子體振蕩在金屬表面，電子的橫向（垂直于表面）運(yùn)動(dòng)受到表面的阻擋，因此在表面上形成了電子濃度的梯度分布，并由此形成局限于表面上的等離子體振蕩表面等離子體波。為什么會(huì)有類(lèi)似分布的探測(cè)曲線為什么只有TM偏振才能激發(fā)表面等離子波為什么只有金屬和介質(zhì)表面才會(huì)有這種表面等離子波表面等離子波是什么先從平面波導(dǎo)的類(lèi)似現(xiàn)象來(lái)思考？思考：光如何從側(cè)面耦合進(jìn)入光波導(dǎo)？先從平面波導(dǎo)的類(lèi)似現(xiàn)象來(lái)思考思考：改變?nèi)肷浣铅龋綔y(cè)IR功率，其響應(yīng)曲線如何分布？先從平面波導(dǎo)的類(lèi)似現(xiàn)象來(lái)思考思考：這個(gè)結(jié)果有什么應(yīng)用？思考：如果將平板波導(dǎo)換做金屬和介質(zhì)的交界會(huì)有何現(xiàn)象？——表面等離子波表面等離子波類(lèi)似前面對(duì)棱鏡耦合器原理的解釋?zhuān)覀兛梢栽O(shè)想，表面等離子波必然和波導(dǎo)一樣，是在金屬和介質(zhì)的表面形成了可以穩(wěn)定傳輸?shù)摹皩?dǎo)?！盳X穩(wěn)定傳輸?shù)膶?dǎo)模意味著傳播常數(shù)方向沿Z軸。而x方向在上下介質(zhì)里電磁場(chǎng)分布都沿指數(shù)衰減。X表面等離子波的產(chǎn)生為了理清表面等離子波究竟是如何產(chǎn)生的，我們先建立一個(gè)最普遍的模型?？紤]光入射在兩個(gè)無(wú)限大的介質(zhì)交匯面。探索兩介質(zhì)需要滿足什么條件，才能形成這樣穩(wěn)定沿Z向傳輸?shù)膶?dǎo)模。p-polarization:

TME-field

平行于入射平面s-polarization:

TEE-field

垂直于入射平面z-xyq1Hzq2x=0e1e2EyHHxz-xyq1EzExq2x=0e1e2HyE入射偏振態(tài)兩介質(zhì)表面的麥克斯韋方程組方程組xzTEFieldsTMFields區(qū)域2區(qū)域1TE導(dǎo)模解不可能!因此兩個(gè)介質(zhì)表面是不可能有TE偏振的導(dǎo)模的！區(qū)域1區(qū)域2指數(shù)衰減（倏逝波）指數(shù)衰減（倏逝波）界面衰減沿

–x衰減沿+xTE偏振TM導(dǎo)模解區(qū)域1區(qū)域2指數(shù)衰減（倏逝波）指數(shù)衰減（倏逝波）界面衰減沿

–x衰減沿+x介質(zhì)金屬小結(jié)對(duì)TE偏振不存在符合條件的介質(zhì)，而對(duì)TM偏振符合特定條件就有可能形成z向傳輸?shù)膶?dǎo)模TM偏振要想在兩種介質(zhì)的表面形成沿z向穩(wěn)定傳輸?shù)膶?dǎo)模光波，必須要求兩介質(zhì)介電常數(shù)符號(hào)相反，且和小于零；表面等離子共振的激發(fā)條件(SPR)表面波沿垂直界面方向指數(shù)衰減導(dǎo)波沿界面平行方向傳輸沿x方向衰減沿z軸方向傳輸p-polarization:

E-field平行于入射平面s-polarization:

E-field垂直于入射平面zxyq1Hzq2x=0e1e2EyHHxzxyq1EzExq2x=0e1e2HyE簡(jiǎn)單從電磁場(chǎng)邊界連續(xù)條件看同一問(wèn)題xy當(dāng)以p-polarized入射時(shí)：以這個(gè)模型分析有利于我們理解極化電場(chǎng)以及極化電荷分布是如何產(chǎn)生的。zx=0e1e2E1zE1xH1yE1E2zE2xH2yE2極化電場(chǎng)分布產(chǎn)生了假如一個(gè)界面材料是金屬,電子將相對(duì)應(yīng)這個(gè)極化電場(chǎng)重分布.這就是通常所說(shuō)的表面等離子波邊界條件:

(a)E

切向分量連續(xù),(b)D法向分量連續(xù)對(duì)p偏振（TM）假如一個(gè)界面材料是金屬,電子將相對(duì)應(yīng)這個(gè)極化電場(chǎng)重分布.這就是通常所說(shuō)的表面等離子波表面極化的概念A(yù)polariton

isanelectromagneticwavethatislinearlycoupledtoanelectricormagnetic

dipoleactiveelementaryexcitationinacondensedmedium.

Asurfacepolaritonisapolaritonwhoseassociatedelectromagneticfieldislocalizedatthesurfaceofthemedium.zxyz=0e1e2H1zH1xE1yH1s-polarized

入射：和p偏振情況類(lèi)似，但此時(shí)我們注意到由于電場(chǎng)沒(méi)有法向分量，因此不會(huì)有極化電場(chǎng)PH2zH2xE2yH2沒(méi)有極化電場(chǎng)產(chǎn)生

沒(méi)有表面等離子導(dǎo)模被激發(fā)!

因此對(duì)TE偏振金屬界面不會(huì)產(chǎn)生極化電荷分布，不能激發(fā)表面等離子波TE偏振入射時(shí)的邊界條件

(注意此時(shí)電場(chǎng)沒(méi)有法向分量):

由電場(chǎng)切向分量邊界連續(xù)條件,和p-polarization相比:導(dǎo)模等效折射率模場(chǎng)分布zx思考：表面等離子波能否沿z方向無(wú)限傳輸下去？表面等離子體波色散曲線表面等離子體波色散曲線波矢不相等，如何共振？光波的色散曲線，與表面等離子體波不同，光波波矢與介質(zhì)有關(guān)，且是入射角的函數(shù)，通過(guò)改變?nèi)肷浣强梢愿淖兤渖⑶€的位置。入射光波的波矢在z方向上的分量可以表示為

共振^_^zxkz表面等離子體共振儀器Kretschmann

和Otto采用棱鏡耦合的全內(nèi)反射方法，實(shí)現(xiàn)了用光波激發(fā)表面等離子體振動(dòng)并產(chǎn)生共振。(A)Kretschman(B)OttoPrism0MetalmSample10kevkspxzPrism0Sample1Metalm0k'evksp當(dāng)倏逝波與表面等離子波發(fā)生共振時(shí)，檢測(cè)到的反射光強(qiáng)會(huì)大幅度地減弱。能量從光子轉(zhuǎn)移到表面等離子，入射光的大部分能量被表面等離子波吸收，使得反射光的能量急劇減少。metalcouplinggapprismq1Ottogeometry1968年metalprismq1Kretschmann-RaetherGeometry1968年Grating可用于光激發(fā)表面等離子波的方式1902年R.W.Wood實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到光入射金屬光柵表面，反射光的異常行為1941年Fano將這個(gè)異常行為定義為等離子行為；Ritchie在1957年首次在理論上解釋了上述過(guò)程SPR傳感器實(shí)驗(yàn)研究SPR傳感器結(jié)構(gòu)圖SPR傳感器結(jié)構(gòu)圖表面等離子體波的兩個(gè)特征表面等離子體波振蕩的損耗表面等離子體波的傳播長(zhǎng)度表面等離子體波傳播長(zhǎng)度的估算表面等離子體波三個(gè)特征長(zhǎng)度金屬材料的選擇10微米玻璃棱鏡Ag40納米空氣632.5nm連續(xù)光輸入10微米思考：表面等離子波工作距離有限，那能否想象一種結(jié)構(gòu)，讓光激發(fā)出的表面等離子波局限在一個(gè)小的區(qū)域不傳輸出去？金屬納米點(diǎn)消光譜測(cè)試可以使用反射或透射式金屬納米粒子可以有不同的形狀不同形狀和空間尺寸的金屬納米粒子產(chǎn)生的共振波長(zhǎng)位置不同