仿表面等离激元器件概述

1、XXXXXX仿表面等离激元的应用研究01知识普及目录目录0202030405020304研究背景和意义理论分析SPPs研究概况LSPs研究概况01知识普及Zhi Shi Pu JiPART ONE031.表面等离激元在光波段，在金属表面区域的一种自由电子和光子相互作用形成的表面电磁模，这种电磁模式的特点是其场强在金属与介质的交界面处达成最大值，而在垂直于交界面的方向随离交界面处距离的增大其场强呈指数衰减，通常在金属内的衰减速度更快。04局域表面等离激元传导性表面等离激元表面等离激元LSPs局域在各种不局域在各种不同形貌的曲面上，同形貌的曲面上，其色散关系一般和其色散关系一般和介质形貌，密切相介

2、质形貌，密切相关，是一种非传播关，是一种非传播模式，具有两维的模式，具有两维的空间局限性空间局限性SPPs的色散是一种的色散是一种简单的传播模式，简单的传播模式，具有一维空间局限具有一维空间局限性。性。1.表面等离激元05仿表面等离激元06通过技术手段降低其等离子频率从而通过技术手段降低其等离子频率从而实现对电磁波的强束缚，表面电磁特实现对电磁波的强束缚，表面电磁特性类似于性类似于SPs称之为仿表面等离激元称之为仿表面等离激元（spoof SPs）掺杂半导体或高温超导体结构化金属表面在金属表面刻蚀亚波长尺寸的周期性凹槽或者空洞阵列通过离子注入、热激发和光激发等手段改变掺杂半导体的载流子浓度，使

3、其等离子体频率落在Thz附近，从而在Thz波段实现对电磁波的强束缚仿表面等离激元07掺杂半导体或高温超导体结构化金属表面02研究背景和意义PART TWOYan Jiu Bei Jing He Yi Yi SPs的电磁场都被束缚在交界面处很小的范围内，这种束缚是由金属表面的电子和电磁波的强相互耦合作用引起的，所以它可以突破光的衍射极限实现亚波长光学器件，因而在纳米光子器件设计及集成纳米光子学领域越来越受到广泛关注科学家们想把它引入到低频段，却发现此种表面电磁模式是不存在的或者说是特别微弱的。1.仿表面等离激元研究背景09研究意义10 Spoof SPs 能够能够在频率相对较低的在频率相对较低的

4、波段实现对电磁波波段实现对电磁波的亚波长束缚的亚波长束缚若集成度、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对保密雷达、对保密雷达、通信、遥感通信、遥感及及生物生物化学检测等微波毫化学检测等微波毫米波技术应用领域米波技术应用领域产生更加深远影响产生更加深远影响因此，基于仿表面等离激元的研究具有重要的意义03理论分析PART THREELi Run Fen Xi1.导行电磁波的波动方程12JtDHD0BEDr0HBr00, 0J022EErkEEE2)(etjrEtrE)(),(tBExryzEjzHyH0 xyzHjzEyE0yzxHjxEzE0zxHjyExE0yyrzx

5、EjxHzH0zrxyEjyHxH0tDHtBE0)(22022yryEkzE0)(22022yryHkzH2.金属/介质交界面上的SPPs13讨论最简单的单个金属/介质交界面上的SPPs的传播，上半空间(z0)是介质，下半空间是金属2.金属/介质交界面上的SPPs14对TM波：zkxjxeekjAzE121011)(zkxjzeeAzE1101)(Z0Z0zkxjyeeAzH22)(zkxjxeekjAzE222021)(zkxjzeeAzE2202)(zkxjyeeAzH11)(交界面上Hy和Ez的连续性1212kk(A1=A2)SPPs 只存在于两种介电介电常数的实部常数的实部符号相反符

6、号相反的媒质的交界面上， 即金属/介质的交界面上12021kk22022kk21210k同理可知对TE波SPPs是不存在的，即SPPs仅存在于电磁波为TM极化波3.SPPs传播特性的两个重要参数15传播长度：将SPPs的强度衰减为其初始值1/e的长度定义为其传播长度L2/31112)()()(2)(Im21rrirL穿透深度：电场振幅衰减到最大值1/e的距离定义为穿透深度在金属中：在介质中：|)()(|1220mrrk|)(|12220drk04SPPs研究概况PART FOURSPPs Yan Jiu Gai Kuang1.结构化金属表面以及仿表面等离激元的概念提出结构化金属表面以及仿表面等

7、离激元的概念是由英国帝国理工学院的Pendry 教授等人提出。在金属表面刻蚀边长为 a，周期为 d的 亚波长空洞阵列，空洞阵列的引入可以增强电磁波的透射作用从而降低金属表面的等离子体频率。使原本不支持 SPPs的金属表面，不但可以支持 SPPs 的传播，还能实现电磁波的亚波长束缚。17多种 spoof SPPs 波导结构被提出18基于Spoof SPPs的波导结构实现的应用19分束器宽带慢波器多路分波器2.CSPs(Conformal Surface Plasmons)概念的提出2013年，东南大学 X. P. Shen 等人提出了共形表面等离激元的( CSPs)概念, 他们提出在超薄可弯曲的

8、介质薄膜上的带有周期性矩形凹槽的无限薄金属带结构， 实现在低频段支持 spoof SPPs 的传播，这种结构可以实现对电磁波的强束缚，具有较小的弯曲损耗和较大的传播长度。 20多种基于 CSPs 的平面结构波导及无源器件相继被提出CSPs 概念的提出为研究者提供了一个思路，那就是在微波和 THz 波段，覆盖超薄金属层的介质板（或介质薄膜） 表面的金属层上刻蚀周期性亚波长结构，可以支持 spoof SPPs 的传播，能够实现对电磁波的亚波长束缚，而这种波导结构它是平面的，可以实现与 PCB 印制板电路的完美结合，为集成表面等离激元无源器件的发展奠定了基础。THz 波段环形谐振器结构及加工样品21

9、多种基于 CSPs 的平面结构波导及无源器件相继被提出22利用传统的共面波导(CPW)结构，通过设计平滑过渡转换结构实现从普通导行波向 spoof SPPs 高效的宽频带激励利用微带线激励的普通导行波向 spoof SPPs 结构多种基于 CSPs 的平面结构波导及无源器件相继被提出23(a) CPW 激励的对称双周期性金属光栅结构 (c) 超薄结构的双路分波器 (b) 带地的对称双周期性金属光栅互补波导结构 (d) 与 SIW 结构合成的通频带可调带通滤波器05LSPs研究概况PART FIVELSPs Yan Jiu Gai Kuang1.spoof LSPs国内外研究概况LSPs 可以把

10、电磁场的能量束缚在一个很小的尺度， 它主要存在于具有封闭表面的微小颗粒上。因为 LSPs 可以在谐振时产生场局域增强的效果，因此其在近场光学、 化学和生物传感、 表面增强光谱学、等离子体天线以及光伏太阳能等领域有着广泛的应用前景。二维刻槽圆柱形理想结构25 A. Pors 等人提出在二维 圆柱形理想导体上刻有周期性凹槽的结构化金属表面，在凹槽内填充折射率为 ng 的介质，可以在频率较低的微波和 THz 波段支持 LSPs 谐振并且将其称之为 spoof LSPs2.回音壁传感器(whispering gallery mode, WGM)上面部分为二维刻槽圆柱形理想导体谐振结构，下面部分为氧化铝

11、波导结构，电磁波从端口 A 进，从端口 B 出。当电磁波耦合到上面的刻槽圆柱结构上时会产生多个品质因数很高的谐振点，改变待测介质的相对介电常数 r，其谐振点会产生明显的偏移，从而实现作为传感器的目的。该结构与传统的介质传感器相比，在相同的尺寸的前提下，其灵敏度更高26多频带 multi-band spoof LSPsZ. Li等人又研究了在封闭的圆柱形理想导体腔体内侧刻蚀有周期性凹槽的二维结构，凹槽内部同样填充折射率为 ng 介质材料，如图 1.8(a)所示，该结构同样可以在低频段支持 spoof LSPs 谐振54。紧接着他们又研究了在封闭的圆柱形理想导体腔体内侧刻蚀有双周期性凹 槽 的 二 维 结 构 ， 如 图 1.8(b)所示，该结构上同样可 以 支 持 m u l t i - ba n d spoof LSPs27薄介质层表面的超薄刻槽金属圆盘X. P. Shen 等人提出了薄介质层表面的超薄刻槽金属圆盘，同样可以支持spoof LSPs 的多极谐振模式。实验中用一根单极子作为激励来激发刻槽圆盘表面的 spoof LSPs 谐振，同时在相对的另一边用一根探针来检测刻槽金属圆盘上的电场幅值。 同时，他们还发现当圆盘表面的介质环境发生变化时会引起各极谐振点频率的显著偏移。因此，该结构还在用于介质测量的传感领域有潜在的应用价值28双圆盘Fan