仿表面等离激元器件概述

XXXXXX仿表面等离激元的应用研究01知识普及目录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ZhiShiPuJiPARTONE031.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局域在各种不同形貌的曲面上，其色散关系一般和介质形貌，密切相关，是一种非传播模式，具有两维的空间局限性SPPs的色散是一种简单的传播模式，具有一维空间局限性。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实现对电磁波的强束缚，表面电磁特性类似于SPs称之为仿表面等离激元（spoofSPs）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PARTTWOYanJiuBeiJingHeYiYi

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

SpoofSPs能够在频率相对较低的波段实现对电磁波的亚波长束缚若集成度、功能和成本等方面有新的突破对保密雷达、通信、遥感及生物化学检测等微波毫米波技术应用领域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PARTTHREELiRunFenXi1.导行电磁波的波动方程122.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(z>0)是介质，下半空间是金属2.金属/介质交界面上的SPPs14对TM波：Z>0Z<0交界面上Hy和Ez的连续性(A1=A2)SPPs只存在于两种介电常数的实部符号相反的媒质的交界面上，即金属/介质的交界面上同理可知对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L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δ在金属中：在介质中：04SPPs研究概况PARTFOURSPPsYanJiuGaiKuang1.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spoofSPPs波导结构被提出18基于SpoofSPPs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(ConformalSurfacePlasmons)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spoofSPPs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spoofSPPs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spoofSPPs高效的宽频带激励利用微带线激励的普通导行波向spoofSPPs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PARTFIVELSPsYanJiuGaiKuang1.spoofLSPs国内外研究概况LSPs可以把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25A.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spoofLSPs2.回音壁传感器(whisperinggallerymode,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ɛr，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-bandspoofLSPsZ.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spoofLSPs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multi-bandspoofLSPs27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spoofLSPs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spoofLSPs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Fano谐振结构Z.Liao等人研究了相邻的两个半径不同超薄刻槽圆盘会产生多极法