第8章-基于表面等离子体结构纳米光集成

第八章基于表面等离子体结构的纳米光集成宋军光学共振现象表面等离子体共振简介表面等离子体共振（Surfaceplasmonresonance，SPR），又称等离子激元共振，是一种物理光学现象。

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相同的频率和波矢（即波长）12与光的全反射有关电磁波共振条件基于SPR原理的SPR传感技术是20世纪90年代发展起来的，生命科学、医疗检测、药物筛选、食品检测、环境检测等领域有广泛应用的一种新技术。（DNA与蛋白质之间、蛋白质分子之间以及药物—蛋白质、核酸—核酸、抗原—抗体等生物分子之间的相互作用）发展简史1902年，Wood在光学实验中发现SPR现象1941年，Fano解释了SPR现象1971年，Kretschmann结构为SPR传感器奠定了基础1982年，Lundström将SPR用于气体的传感（第一次）1983年，Liedberg将SPR用于IgG与其抗原的反应测定1987年，Knoll等人开始SPR成像研究1990年，BiacoreAB公司开发出首台商品化SPR仪器倏逝波（古斯汉欣位移）的应用近场光学显微镜光纤倏逝波生物传感器表面等离子体光学器件倏逝波什么是等离子体？什么是等离子体？固体

冰液体

水气体

水汽等离子体

电离气体温度00C1000C100000C等离子体定义等离子体振荡频率表面等离子体振荡在金属表面，电子的横向（垂直于表面）运动受到表面的阻挡，因此在表面上形成了电子浓度的梯度分布，并由此形成局限于表面上的等离子体振荡表面等离子体波。为什么会有类似分布的探测曲线为什么只有TM偏振才能激发表面等离子波为什么只有金属和介质表面才会有这种表面等离子波表面等离子波是什么先从平面波导的类似现象来思考？思考：光如何从侧面耦合进入光波导？先从平面波导的类似现象来思考思考：改变入射角θ，探测IR功率，其响应曲线如何分布？先从平面波导的类似现象来思考思考：这个结果有什么应用？思考：如果将平板波导换做金属和介质的交界会有何现象？——表面等离子波表面等离子波类似前面对棱镜耦合器原理的解释，我们可以设想，表面等离子波必然和波导一样，是在金属和介质的表面形成了可以稳定传输的“导模”ZX稳定传输的导模意味着传播常数方向沿Z轴。而x方向在上下介质里电磁场分布都沿指数衰减。X表面等离子波的产生为了理清表面等离子波究竟是如何产生的，我们先建立一个最普遍的模型。考虑光入射在两个无限大的介质交汇面。探索两介质需要满足什么条件，才能形成这样稳定沿Z向传输的导模。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入射偏振态两介质表面的麦克斯韦方程组方程组xzTEFieldsTMFields区域2区域1TE导模解不可能!因此两个介质表面是不可能有TE偏振的导模的！区域1区域2指数衰减（倏逝波）指数衰减（倏逝波）界面衰减沿

–x衰减沿+xTE偏振TM导模解区域1区域2指数衰减（倏逝波）指数衰减（倏逝波）界面衰减沿

–x衰减沿+x介质金属小结对TE偏振不存在符合条件的介质，而对TM偏振符合特定条件就有可能形成z向传输的导模TM偏振要想在两种介质的表面形成沿z向稳定传输的导模光波，必须要求两介质介电常数符号相反，且和小于零；表面等离子共振的激发条件(SPR)表面波沿垂直界面方向指数衰减导波沿界面平行方向传输沿x方向衰减沿z轴方向传输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简单从电磁场边界连续条件看同一问题xy当以p-polarized入射时：以这个模型分析有利于我们理解极化电场以及极化电荷分布是如何产生的。zx=0e1e2E1zE1xH1yE1E2zE2xH2yE2极化电场分布产生了假如一个界面材料是金属,电子将相对应这个极化电场重分布.这就是通常所说的表面等离子波边界条件:

(a)E

切向分量连续,(b)D法向分量连续对p偏振（TM）假如一个界面材料是金属,电子将相对应这个极化电场重分布.这就是通常所说的表面等离子波表面极化的概念Apolariton

isanelectromagneticwavethatislinearlycoupledtoanelectricormagnetic

dipoleactiveelementaryexcitationinacondensedmedium.

Asurfacepolaritonisapolaritonwhoseassociatedelectromagneticfieldislocalizedatthesurfaceofthemedium.zxyz=0e1e2H1zH1xE1yH1s-polarized

入射：和p偏振情况类似，但此时我们注意到由于电场没有法向分量，因此不会有极化电场PH2zH2xE2yH2没有极化电场产生

没有表面等离子导模被激发!

因此对TE偏振金属界面不会产生极化电荷分布，不能激发表面等离子波TE偏振入射时的边界条件

(注意此时电场没有法向分量):

由电场切向分量边界连续条件,和p-polarization相比:导模等效折射率模场分布zx思考：表面等离子波能否沿z方向无限传输下去？表面等离子体波色散曲线表面等离子体波色散曲线波矢不相等，如何共振？光波的色散曲线，与表面等离子体波不同，光波波矢与介质有关，且是入射角的函数，通过改变入射角可以改变其色散曲线的位置。入射光波的波矢在z方向上的分量可以表示为

共振^_^zxkz表面等离子体共振仪器Kretschmann

和Otto采用棱镜耦合的全内反射方法，实现了用光波激发表面等离子体振动并产生共振。(A)Kretschman(B)OttoPrism0MetalmSample10kevkspxzPrism0Sample1Metalm0k'evksp当倏逝波与表面等离子波发生共振时，检测到的反射光强会大幅度地减弱。能量从光子转移到表面等离子，入射光的大部分能量被表面等离子波吸收，使得反射光的能量急剧减少。metalcouplinggapprismq1Ottogeometry1968年metalprismq1Kretschmann-RaetherGeometry1968年Grating可用于光激发表面等离子波的方式1902年R.W.Wood实验观测到光入射金属光栅表面，反射光的异常行为1941年Fano将这个异常行为定义为等离子行为；Ritchie在1957年首次在理论上解释了上述过程SPR传感器实验研究SPR传感器结构图SPR传感器结构图表面等离子体波的两个特征表面等离子体波振荡的损耗表面等离子体波的传播长度表面等离子体波传播长度的估算表面等离子体波三个特征长度金属材料的选择10微米玻璃棱镜Ag40纳米空气632.5nm连续光输入10微米思考：表面等离子波工作距离有限，那能否想象一种结构，让光激发出的表面等离子波局限在一个小的区域不传输出去？金属纳米点消光谱测试可以使用反射或透射式金属纳米粒子可以有不同的形状不同形状和空间尺寸的金属纳米粒子产生的共振波长位置不同