纳米光子学1-余.pdfVIP

1 表面等离子激元（SPPs）： 定义：是在金属表面区域的一种自由电子和光子相互作用的形成的电磁模。 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。 激发方式：(1)波导结构：利用波导边界处的倏逝波激发表面等离子体波，使波导中的光场能量耦合到表面等离子体波中。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；(2)棱镜耦合：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，入射光以大于全反射角的角度入射， 2p 利用棱镜的高折射率进行波矢补偿，类似于油浸透镜的原理。k = n sinq；对于较厚的金属膜，Otto结构比较适合。在该结构中，虽然全反射棱镜和金属膜之间 spp l p 有很小的空气间隙(近场区域)，仍可在金属和空气间隙的界面上激发SPPs。(3)光栅耦合：利用光栅引入一个额外的波矢量的增量实现波矢量的匹配。(4)近场耦合：对于粗 糙表面，不需要任何额外的结构设计，表面粗糙的衍射效应就可以提供在金属膜表面激发SPPs所需的波矢补偿即直接的光照射便激发SPPs。(5)NSOM激发：用一个尺寸小于 波长的探针尖在近场范围内去照射金属表面，由于探针尖尺寸很小，从探针尖出来的光会包含波矢量大于SPPs矢量的分量，这样就能够实现波矢量的匹配。(6)采用强聚焦光 束，利用高数值孔径的显微目镜可直接接触到介质层，在介质层与目镜之间涂上匹配油层，高数值孔径能够提供足够大的入射角，实现波矢量匹配，从而激发出表面等离子体 波。 2 金属电介质界面表面等离子色散关系的物理意义： ω⎛ ε ε ⎞1/2 ω⎛ ε ε ⎞1/2 m d d mr ,β为传播常数。 表示金属或者半导体介质相对介电常数； 表示电介质相对介电常数。其实部和虚部为： ， β = ⎜ ⎟ ε ε β = ⎜ ⎟ m d r c ε +ε c ε +ε ⎝ m d ⎠ ⎝ d mr ⎠ ω ε ⎛ ε ε ⎞3/2 β = mi ⎜ d mr ⎟ i 2 c 2(ε ) ε +ε mr ⎝ d mr ⎠ 物理意义：等离子体中存在的波的频率和波矢之间的关系需满足色散关系，而色散关系完全确定给定条件下等离子体中可能存在的波的全部性质。SPP色散关系可以完全描述 SPP的光特性，是进行SPP相关研究的基本理论基础。 3 任选一种表面等离子激元应用，简述原理。 表面等离子传感器（图） ( ) ω ω ε