金属薄膜中光的异常传输现象及应用-上海交通大学-博士论文_图文

1、上海交通大学博士学位论文亚波长结构金属薄膜中光的异常传输现象及应用姓名：胡晓申请学位级别：博士专业：光学指导教师：夏宇兴;詹黎20090227亚波长结构金属薄膜中光的异常传输现象及应用摘要亚波长结构金属薄膜中光的异常传输效应的发现为在金属薄膜中控制光子的运动提供了有力的工具，其机理和应用的研究是目前幽际上研究工作的一个热点。本文对周期和准周期结构金属薄膜中异常传输效应的机理和应用进行了深入研究，具体内容如下：运用耦合波理论解释了亚波长周期性结构金属膜中异常传输效应的物理机理，理论清晰证明了异常传输现象的产生机制源于金属孔辅助下的入射光与表面波的瞬衰场的哥台，金属薄膜中的小孑对异常传输现象的产生

2、提供了关键的耦合条件，而周期性结构：输增强提供了位相匹配条件。耦合波理论不仅较为简单，且物理意义清晰。准周期结构金属薄膜的异常传输现象进行了研究，详尽研究了小孔链的占传输谱。由于结构中的多相位匹配机制，异常传输谱具有多重分形结构。算了随序列长度而变化的标度因子，并用模拟证实了表面等离子模月的局域性。研究表明可以用异常传输谱的性质来预测表面等离子波的模场分布，这对于准周期结构金属薄膜在新型纳米表面等离子体器件的开发应用具有较大作用。本论文还探讨了具有亚波长结构的金属薄膜中异常传输现象的应用。根据周期结构金属薄膜异常传输现象的波长选择性，提出了一种新型的彩色滤波器的设计构想，并探讨了其优化设计方案

3、。这种滤波器特别适用于的彩色显示，它不仅具有结构紧凑的优点，还可以作为的电极，同时其所具有的异常传输效应可以提高的光能抽取率。用傅里叶分析方法研究了具有取样周期结构的金属薄膜的异常传输现象，并探索了其应用。分析了这种结构的多峰异常传输性质，以及结构参数对传输谱的影响。利用此性质可以研制结构紧凑的滤波器，在多波长光谱分析和多波长发光器件上可以有较大应用前景。基于这种结构，还设计开发了双波长滤波器，它具有同时增强荧光发射强度和提高信号光抽取率的作用，并适宜于小型化，适合在芯片上集成，以及大规模生产，特别适用于微全分析系统的双波长荧光测试。关键词：亚波长结构，金属薄膜，光的异常传输现象，表面等离子波

4、，准周期结构，光学滤波器，删躅锄蛐嘎曲咖，出，盯妇铋咖盯锄矗谢。咖垂睁锄，舢，口曲。丁，。，：，上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密口。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名：诩岣，日期：指导教师签名：夏宇罾，年月日日期：。年猢，上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈

5、交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日第一章绪论等离子体光学（）是“表面等离子体亚波长光学（）”的简称，是近年迅速发展起来的一门新兴学科，主要是研究纳米尺度的光现象，办即在远小于光的波长、比现有最小电子器件还小的空、开旱进行研究。“”等离子体光子学研究内容非常广泛，包括电场增强、表面增强光谱、增强的光透射、表面等离子体纳米波导、增强的光学力、表面等

6、离子体共振传感器、表面增强的能量转移及选择性光吸收等等。美国斯坦福大学、美国，理工学院、美国加利福尼哑大学、荷兰原子与分子物理研究所、日本早稻田大学、英国帝国学院、新加坡国立大学、瑞典查尔姆斯理工大学以及中科院物理研究所、台湾大学等科研机构都在这一新兴学科领域丌展了卓有成效的研究工作。主要研究和成果可以概括为以下三个方面：（）研究人员发现可以通过利用光来产生称作“等离子体振子（）”的电子密度波，进而将光信号压缩到极其细微的传输线中；（）研究证实，等离子体光学电路可以实现电脑芯片的高速互连，从而实现芯片间巨量数据的高速传输。等离子体元器件的引入，还可以提高显微镜的分辨率、提升发光二极管的效率、提

7、高化学和生物传感器的灵敏度等；（）一些科学家提出，等离子体光学材料可以改变物体附近的电磁场，从而实现隐形。虽然这些潜在的应用不一定能证实是可行的，但是研究人员仍然以饱满的激情进行等离子体光学的研究，因为这一新兴学科领域让人们对神秘的纳米世界的未来充满了更多希望。亚波长周期性结构金属薄膜中光的异常传输是一种新的现象，是目前表面等离子体亚波长光学研究的一个热点，具有一系列新的应用前景。本文对这种现象的机理进行了研究，并尝试探索准周期结构的异常超传输现象，并积极挖掘这种现象的应用。亚波长结构金属纳米薄膜中光的异常传输现象概述光透过具有小孔的光学非透明金属薄膜的过程实际上包括两个物理过程，一个是光波穿

8、过亚波长小孔的过程，一个是经过小孔上表面衍射后的光波穿越具有一定厚度的小孔的过程。根据经典理论，光波经过一个尺度小于其波长的小孔时，光波将受到小孔强烈的衍射效应，根据经典理论【】，透过小孔的透过率为。（）刀，式中，为小孔直径，万五为波矢大小，即小孔的透过率和名成反比，所以当光波波长小于小孔半径的时候，即使在金属薄膜厚度趋近于的近似下，透过小孔的光强仍趋近于，如图一所示。当考虑金属薄膜的厚度时，具有厚度的小孔可看作一个波导，对于一个二维圆形小孔，截止波长允，所以对于亚波长小孔，小孔中不存在导膜，上表面的光波只能通过瞬衰场通过，孑下表面，光强将随着薄膜厚度随指数衰减，近一步降低了透过率，如图一所示

9、，所以按经典理论，光波不能透过具有亚波长小孔阵列的非透明会属薄膜。在年以前，人们主要集中在当小孔尺度大于光波波长，能在小孔中产生导膜的情况进行研究，并没有人对小孔尺度达到亚波长的情况进行研究。年】的实验首次发现了具有亚波长小孔阵列的非透明金属薄膜对光波的异常传输现象，引起了人们广泛的兴趣和研究。的实验，在大于小孔直径的波长处出现多个透射峰，并且随着波长的增加，透射峰峰值反而增加，波长最大的谱峰出现在倍于圆孔直径的波长处，且最为尖锐。在这些峰值处，归一化传输效率会大于（对孔的面积进行归一化），即透过小孔光能比照射，孑面积上的光能的倍还要大，说明小孔不仅能够胳照射在其上的光全部无衍射的传输到金属薄

10、膜下表面，还能将照射在小孔旁边的相当一部分光也传输到下表面。的实验还表明，当金属薄膜换成非金属薄膜时异常传输现象消失；与反射型金属光栅的情况相类似，共振发生在入射光波矢与表面等离子波波矢匹配的情况下，可见，光波与表面等离子波共振耦合对异常传输现象起着至关重要的作用。但是，照射在金属薄膜上表面光波是如何在表面等离子的作用下通过亚波长的小孔穿越到金属薄膜的下表面，其物理过程是什么，机理是什么，这个问题引起人们广一一泛关注和兴趣。一一一一一么孓图无限薄完全导体金属薄膜的小孔衍射及其透过率曲线示意图。刁图光波透过带有直径小于光波波长的圆柱波导的厚金属薄膜示意图一一（）（）图参数变化对零阶透射谱的影响。

11、（）不同正方格子阵列的透射谱。实线：￥。，；虚线：金，仁；点划线：铬口。，。（）银膜中两个相同阵列（；），不同厚度结构的透射谱。实线：；虚线：。（），鹤：，；：，锄，卢；：，：（）；：（）：；。随后的研究发现，在金属膜对于光波来说是完全导体的情况下，也能发生异常传输现象【。对于完全导体来说，表面等离子波并不存在，这个发现引起了激烈的争论，人们提出了许多理论模型试图解释异常传输现象的机理问题，有人认为，小孔内具有瞬衰波，光波异常传输的机理在于不同小孔的瞬衰波之间共振加强，也有人认为，当条件满足时，小孔本身作为谐振腔发生共振引发异常传输效应。值得一提的是，理论证唰引，存在于小孔内的瞬衰波，即等效于

12、一个表面等离子波，称其为“人第。章绪论造表面等离予波”，其作用与通常意义的表瞳等离子波完全一样，当金属膜对于光波来说是非完全导体的情况下，则同时出现通常意义下的表面等离子波和人造表面等离子波，两者混杂在一起，不能区分。的：二作指出了瞬衰波共振机理和表面等离子波共振耦合机理之问的联系。现在人们对异常传输效应一般的解释是：当光照射在这些亚波长，孑的表面发生衍射和散射，将会在其上产生瞬衰场，这些瞬衰场一部分由于隧道效应穿透，孑的另一面，在另外一面瞬衰场将会被散射，这样将会形成传播场，在这早表面等离子激元的近场增强特性对瞬衰场的衰减进行了补偿，有效地提高了能量的传输效率。在金属薄膜足够薄的时候，金属上

13、下表面的表面等离子激元将会发生重叠并通过小孔发生相互作用。但是现在关于异常传输机理还不是十分清楚，表面等离子激元在其中的作用还有不同的解释。目前，人们已经对各类亚波长结构的会属薄膜对光的穿透性能及其机理进行了广泛而深入的研究，并提出了许多有价值的应用。到现在为止，国际上研究所涉及的结构类型主要有三种，即单个，：，周围具有周期性褶皱的单个小孔和，阵列。单个小孔经研究，具有单个，：的金属薄膜对光也有异常传输作用【】，即透过，的光远大于经典衍射理论的预测。光透过单个，前面已说过，包括衍射损失和经过小孔的以瞬衰波指数形式的衰减，当，：的尺度小于光波波长的情况下，在通常情况下是不可能有光穿透的。但一定厚

14、度小孔本身可以看作一个谐振腔，当光波满足共振条件时，将产生异常传输现象。当然，正如面所说，在具有一定厚度的，；中的瞬衰波等效于一个表面等离子波，故相当于，在其周围的金属界面激发了一个局域表面等离子波，大大增强了小孔上方的电磁场强度，增强电磁波对于小孔的穿透能力，从而产生了小孔的异常传输效应。这两种物理机制其实本质上是同一物理效应的不同描述。？麓鬃圈盛。；翟嘭之苕喜，曲耋曼巷三。（）国金属腱中单孔的光逢射性质。，孔被制作在银金属膜上用白色光源照射。厚的金属膜中（）一个直径的圆孔和（）它的透射谱线啪厚的金属腱中（）一个×砌的矩形孔和（）它的偏振相关的透过率曲线。删骼），髓：，的形状对于异

15、常传输现象的影响也很大，图中给出了异常传输透过光光谱在不同形状下的透射谱我们可以看到，对于矩形狭缝，也可咀产生和圆孔相类似的异常传输现象，但是，由于矩形狭缝对于各个偏振方向的光并非有各向同性的怿质，第一章绪论其芹常传输机制就比对称性好的圆孔的情况复杂得多【】。小孔的异常传输效应可大大提高近场光显微镜（）的分辨率】，并在荧光自桐天谱的应用中发挥巨大作用。周围具有周期性褶皱的单个小孔随着现代纳米微加工技术的发展，在小孔的周围制作亚波长的结构已经不是难题。一旦小孔周幽增加亚波长的周期结构，其对于特定波长的光波穿透效应胳有一个数量级的提高【，其面积归一化透射效率将远远超过单个小孔的透过率【。另外，在出

16、射面围绕小孔的周期性褶皱将赋予小孔具有聚焦或者控制出射方向的功能【。在金属薄膜入射面上，小孔周围的周期性结构像一个波长选择天线般地将特定波长的光波耦合入表面等离子波，从而使小孔上面的电磁场强度极大的增强，致使穿透小孔的能量大大增强。在这种情况下，小孔的透射谱主要由周期性结构决定，当入射光的水平分量的波矢，表面等离子波的波矢和周期性结构三者满足波矢匹配的情况下，金属表面激发出表面等离子波，透射强度大大增强。若在出射面的小孔周围也同样加上周期性结构，则由于光波与出射面表面等离子波的干涉作用，出射光束令人惊讶地非常的窄，发散角的数量级小于几度【】。除了如图所示的牛眼结构的周期性结构，还可以在小孔周围

17、作出许多其他周期性结构，例如，在，孑的周围加上平行的周期性沟槽，这类带有双面周期结构的单孔金属薄膜，可作为一类新型光子元件，他们可以具有透镜的聚焦作用，同时，又可以具有其他作用【，例如，当上下两面都具有平行周期性沟槽，且其周期长度不同，则出射光的方向不依赖于入射光的方向，正是由于单个小孔联系着上下两个周期不同的独立光栅，使其具备方向定向器的功能，并具有广泛的应用前景。第审绪论图周围具有周期性结构的单孔或秩缝的透过率性质。（】周围具有圆形周期褶皱的单孔（左闺）的透过谱，孔径，周期）（）八射面（）和出射面（）具有不同周围性沟槽的单狭缝的光线定向示意囤。一曙船（）（踟，哪）璐（）蛐（）小孔阵列金属薄

18、膜的小孔阵列的异常传输是研究得虽为深入、最为广泛的且应用最广的现象，这是因为小孔阵列容易通过简单的方式调节其透射潜。金属薄膜的小孔阵列的异常传输在入射波与表面波发生共振时发生，符合波矢位相匹配。应用波矢位相匹配条件，固中的二维小孔阵列的透射谱的峰值波长可以这样计算：南格上式未考虑小孔的存在及其相关的散射损失，所以由上式计算的峰值略小于实验值，如图所示。一甲奠墨二二型忡口廿忡图卜小孔阵列的透过车谱（；，石英基底，小孔直径，周期，垂直射，。为绝对透射强度，目为归一化透射率），）从上式可见，异常传输的透射谱和阵列的对称性有关，由，阵列激发出的表面等离子波将沿着特定的对称轴传播，它们的极化方向和模式序

19、数（，】）有关，这就赋予小孔阵列的异常传输现象以偏振现象阱。在具有小孔阵列的金属膜中，正反两面的金属膜与介质界面都支持表面等离子波，若金属薄膜上下两面的介质不同，则上下两面的表面等离子波模式不同，透射涪中有两套透射峰，分别由上下两面的表面等离子波产生。在许多实际应用中，小孔阵列的长度并非无限，而是有限度，这使阵列边界产生的效应凸显，透射谱将大大改变，出现再发射图谱。小孔的形状和尺寸也会影响透射谱【¨，例如，：无导膜存在的情况下，当小孔的形状从圆形变为方形时，将不仅引起单个小孔附近的局域表面等离子波的改变，也将引起小孔截波长的改三蛭，这此改变都将引起透射谱的变化，但这些影响和由目期陛结

20、构而激发的表面等离波的影响比是十分小的，透射谱堂匹是由倒划性结构所激发的表而等离了波所决定【”。肖透射普的北振峰波长人截止波长时透射光强度随薄膜厚度的增呈指数下降，所以，薄膜的厚度办为这些结构的关键参数口”。与小孔阵列相比，狭缝阵列的光谱具有更富的内容，这是田为在特定的腔场偏振条件下，狭缝中可能存在导膜，其光滑的结构既包含有狭缝的腔场模式的特性，又具有周期结构所激发的表面等离子波的特性【，。匾图制作有字母肌的小孔阵列厦光的透射图。小孔由汇聚粗干束刻蚀方法在银金属腱上制作。一些小孔被刻连，用来透过光线。当白光照射时，两个字母呈现不同的霸色。小孔阵列的周期决定透过光的额色这里周期被选为和，采获得缸

21、光和绿光。帅，由于方便的制作工艺，周期性排列的小孔阵列是被较为广泛研究和应用的结构之第章绪论一。结构光谱的特性可以简单地通过控制周期来加以改造。一个自趣的例子说明了这一点。如图所示，当白光照射到小同周期的小孔阵列上时，透过光的颜色也不同。周期性结构将特定波长的光耦合到表面等离子体中，从而选择性的通过该波长的光。利用这个性质，可以将，阵列应用于波长滤波器，图中的“”两个字母谁是利用不同周期长度的，阵列得出。应用前景金属膜中，除了以上提到过的应用外，可以激发表面等离子波的亚波长结构金属薄膜将会有其他广泛的应用。例如在光电子领域，关于如何使发光器件能更有效发光的研究正在进行之中【】。器件中的会属材料

22、，一般都是主要的损耗源。而这里可以在上面加工上，用来帮助从二极管中获取更多的能量输出。而对于更小的电子芯片的需求迫使在光刻技术中使用更短波长的光，通常情况下这会造成成本的上升以及更复杂的工艺。然而应用光的超常传输效应可以有效地避免光的衍射效应，使用能激发表面等离子体的掩模版可以具有比光波长更短的细微结构，由于异常传输效应可以在近场范围内实现亚波长的高能量输出，在远场得到很大的穿透光强而无衍射，从而解决这类问题【。无论是对于器件的实现还是研究光谱特性，将小孔结构和分子结合是一个非常有前途的应用研究方向。小孔和金属高对比的通透性质，非常小的尺寸以及简单的结构都使它们成为制作生物芯片和生物传感器的理

23、想选择。在表面等离子体增强的现象中，入射和出射场都会得到增强，并且这些结构还可以将光信号汇聚到探测器上。在制作表面等离子体器件时，不仅可以通过电学方法】，而且可以以的速率来改变物质的折射率，从而改变，阵列的传输特性【】。亚波长，：可能在量子和原子光学中得到应用。例如，在研究表面等离子体激发的经典或量子物理本质的时候，小孔阵列是一个非常有效的方法。理论上已经证明，异常传输现象可以和例如玻色爱因斯坦凝聚中的超冷原子的物质波相作用【。这里给我们指出了如何通过光学方法米操控原子和它们的运动方向。具有哑波长结构的金属薄膜具有许多特殊的性质：金属和小孔的光学通透性能的强烈反差；金属介质界面表面等离子波所造

24、成的局域场巨幅增强：这些性质使具有亚波长结构的金属薄膜具有广泛的应用前景。另外，先进的微加工工艺技术的进步使人们可以随意控制这些小孔的分布与形状，并且，具有亚波长小孔的薄膜简单的结构以及方便的使用使其会进一步在各领域中拓宽其应用，并且会导致一些前所未知的创造和发展。本文内容简介亚波长结构金属薄膜中光的异常传输现象从发现到现在已有年的历史，是目前国际上研究的热点之一。人们针对单个小孔，周围具有周期性褶皱的单孔，周期性排列的小孔阵列等类型的结构进行了大量的理论和实验上的研究，对其内在的物理机制进行了探索，并着手挖掘其潜在的应用价值。本文研究了周期和准周期结构金属薄膜的异常传输现象的机理，并进一步开

25、发了其应用，具体内容如下运用耦合波理论解释了亚波长周期性结构金属膜中的异常传输效应的物理机理，理论清晰证明了异常传输现象的产生机制源于金属孔辅助下的入射光与表面波的瞬衰场的耦合，金属薄膜中的小孔对超传输现象的产生提供了关键的耦合条件，而周期性结构为传输增强提供了位相匹配条件。理论证实了超传输现象起源于表面等离子波的两次耦合。根据耦合模理论分析了不同模式之间的能量耦合过程。给出在电介质分布函数有扰动的情况下，两个相互靠近的模式之间的耦合系数。耦合系数的大小表示了两个模式之间能量转换的强度大小。对准周期结构金属薄膜的异常传输现象进行了研究，详尽研究了小孔链的异常传输谱。由于结构中的多相位匹配机制，

26、异常传输谱具有多重分形结构。计算了随序列长度而变化的标度因子，证明了异常传输谱随链长变化具有标度不变性，从而证明准周期结构金属薄膜巾异常传输过程中表面等离子波足局域化的，并用模拟了表面等离子，证实了其特有的局域性。研究表明可以用异常传输谱的性质来预测表面等离子波的模场分饰，这对于准周期结构金属薄膜在新型纳米表而等离子体器件的丌发应用具有较大作用。本论文还探讨了具有亚波长结构的金属薄膜的异常传输现象的应用。根据周期结构金属薄膜异常传输现象的波长选择性，提出了一种新型的彩色滤波器的设计构想。采用耦合模原理研究了两维小孔阵列结构和一维狭缝结构，并分析了他们作为彩色滤波器的可行性。为提高每个三原色滤波

27、器的纯度，提出消除干扰透射峰的方案。这种滤波器特别适用于的彩色显示，它不仅具有结构紧凑的优点，还可以作为的电极，同时其所具有的异常传输效应可以提高的光的抽取率。用傅罩叶分析方法研究了具有取样周期结构的金属薄膜的异常传输现象，并探索了其应用。由于这种结构是两套周期性结构嵌套所成，具有多重位相匹配机制，从而使其具有多峰异常传输的性质，并且其传输谱可以用结构参数加以调节。利用此性质可以研制结构紧凑的滤波器，在多波长光谱分析和多波长发光器件上可以有较大应用前景。基于这种结构，还设计开发了双波长滤波器，它具有同时增强荧光发射强度和提高信号光抽取率的作用，并适宜于小型化，适合在芯片上集成，以及大规模生产，

28、特别适用于微全分析系统的双波长荧光测试。第岫二章表面等离了波第二章表面等离子波引言上一章己提到，表面等离子波是产生会属薄膜业波长小孔异常传输效应的主要因素。表面等离子波是一种表面波的形式，是由激发表面等离子激元（，）而形成的局域于表面的电磁波。表面等离子激元就是局域在金属表面的一种由自由电子和光子相互作用形成的混合激发态【在这种相互作用中，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本章将对表面等离子波的激发，性质等进行详细说明。表面等离子激元的基本性质及其激发方式表面等离子波的特性世纪初，从麦克斯韦的电磁理论出发，引入复介

29、电常数的概念，得到了局限在金属表面附近的电磁波的波动解。是一种在金属和介质表面上传播的电磁波，其振幅随离开界面的距离按指数衰减。由图可见表面等离子波是横磁波（在方向），其原理将在节中进行详细推导。同时，由图可见产生表面电荷要求电磁波具有垂直于表面的电场分量，而表面振荡电荷的出现，大大增强了垂直于表面的电场，这个电场振幅随离开界面的距离按指数衰减，是瞬衰波，如图所示，说明表面等离子波的表面局域性，即表面等离子波是一种不向外辐射的表面波，能量集中于金属和介质表面。对于图所示的在金属薄膜界面上沿方向传播的，其电场方程表示为【】（，一哎）（）第一帝表等离了被囤（）表面等离子，示意图。（）表面等离子溲电

30、场振幅随离开界面距离的关系（）￥嘞上式表明在垂直于金属表面的方向电场强度是呈指数衰减的对应于的表面局域特性即表面波的主要分布在会属和介质界面，离丌界面，表面等离子波振幅随离开界面的距离按指数衰减，如图所示。如前所述另一个独特的性质是近场增强，场增强的程度取决于金属的介电系数、表面粗糙程度引起辐射损耗以及金属薄膜的厚度在理想平滑表面最大可能的增强可表述为】呈珂：三！丛！与酗（）毛其中矗（一），是入射光振幅，是金属膜下面的介质的介电常数。比如，当用红光照射厚的银膜激发时，电场强度可以提高两个数量级以上”】在平滑表面传播的的色散关系表达式是”靠“旬，蚝再（）图表面等离子波的色散关系肿“由图町知，表面

31、等离子波波矢比自由空日波矢大，是一种慢波，所以在光滑平面上无法直接和光藕合，此即的短波长特性。表面等离子体波的激发由于在一般情况下，表面等离子体波的波矢量大于光波的波矢量，所以不可能直接用光波激发出表面等离子体波。为了激励表面等离予体波，需要引入一些特殊的结构达到波矢匹配，常用的结构有以下几种：国激发的棱镜耦合方式示惠图（）结构：（）结构：爹芦，一攀（砷（）采用棱镜耦合的方式：棱镜耦台的方式包括珥种：种是结构。：金属薄膜直接镀在棱镜面上，入射光在金属一棱镜界面处会发生全反射，全反射的瞬衰波可能实现与表面等离子体波的波矢量匹配，光的能量便能有效的传递给表面等离了体，从而激发出表面等离子体波。这是

32、目前广泛用于表面等离子体的科研与生产的一种结构。另一种是结构”：具有高折射率的棱镜和食属之间存在狭缝，狭缝的宽度比较小，大约几十到几百个纳米，这样使用起来比较不方便，所以只有在科研的过程中会偶尔用到。图表面等离子波波导激发方式示意囝波导结构：利用波导边界处的瞬衰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。如图所示，波导两侧光波是瞬衰波，在波导的某个位置镀上金属，这样当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。采用衍射光栅结构“：利用光栅引入一个额外

33、的波矢量的增量实现波矢量的匹配。这是目前研究的热点和重点，常用的光栅主要是一维光栅，二维光栅毗及阵列结构和颗粒阵列，图中是一维的光栅结构。由于光栅结构的材料参数与几何参数波，另。方面二维光栅结构中能够引入能带，从而使得表丽波的特性受到能带的影响，、图表面等离于波的光栅激发方式、嵋采用强聚焦光束：利用高数值孔径的显微目镜直接接触到介质层，在介质层与目镜之间涂匕匹配油层，高数值孔径能够提供足够大的入射角，能够实现波矢量匹配，从而激发出表面等离子体波。采用近场激发¨删：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表面等离子体波矢

34、量的分量，这样就能够实现波矢量的匹配。例如，近场扫描光学显微镜（）的使用探针可以在给定表面上的任意一点激发，对于粗糙的表面，可不需要其他特别的结构就可以激发这是因为在近场区域内的衍射场包含了所有的波矢这是一种非共振激发的方法，激发效率低表面等离子波的传播一旦入射波转化为金属表面的等离子波，它将被束缚在金属表面传播，但是，由于金属对电磁波的吸收效应，表面等离子波将逐渐衰减其衰减速率取决于金属在共振波睦的介电函数。的衰减可以用参数的传播长度来表示蚓。根据表面等离子波的复传播常数嘭的虚部可吼计算出传播长度朝面石（警户譬和是金属介电函数的实部和虚部，即占。：。（）是金属中在町见光范围内损耗最小的会属，

35、其典型的传播长度为，当波长为时，岛可达。过去认为由于金属的强烈吸收，表面等离子波无法用于制作光学元件，现在因对传播长度的研究和器件的小型化，大量远远小于传播长度的出现【，使基于的光学集成器件的研究成为可能。表面等离子波的电磁场理论为了进一步认识表面等离子波的特性，必须用麦克斯韦方程对它进行研究，以便对其进行定量表示。表面等离子波的麦克斯韦方程考虑如图所示两种半无限大、各向同性介质构成的简单界面。（田）毛（）图两种半无限大介质构成的简单界面设两种介质都是非磁介质，即有一鸬心根据麦克斯韦方程：第二搴表血等离了波船一一办（）斑一扣一西消去磁场矢量后可得：岬旧风窘：一式中，（），（）为相对介电常数。协，根据表囱波场强集中于界面，并沿法向指数衰减的特点，设试探解为点：（，）五（一）（，），（）巨（，）篓（一）【咿一国