外外等离子体激元简介

母婴用户    2019-12-03 05:15     浏览 33333 

  

外外等离子体激元简介

  表面等离子体激元简介_化学_自然科学_专业资料。表面等离子体激元简介 子体激元 一.表面等离 表面等离子体(Surface Plasmons)的出 现提供了一种在纳米尺度下处理光的方式。表面等离 子体通常可以分成两大类——局域表面等离子体共振

  表面等离子体激元简介 子体激元 一.表面等离 表面等离子体(Surface Plasmons)的出 现提供了一种在纳米尺度下处理光的方式。表面等离 子体通常可以分成两大类——局域表面等离子体共振 (Localized Surface Plasmon Resonance)和表面等离 子体激元(Surface Plasmon Polaritons) 。局域表面等 离子体共振专指电磁波与尺寸远小于波长的金属纳米 粒子中的自由电子的相互耦合,这种等离子体只有集 体共振行为,不能传播,但可以向四周环境辐射电磁 波。局域表面等离子体共振可以通过光直接照射产生。 表面等离子体激元指的是在金属和电介质分界面上传 播的一种元激发 Excitations ) ,这种元激发源自电磁 波和金属表面自由电子集体共振的相互耦合。表面等 离子体激元以指数衰减的形式束缚在垂直于传播的方 向,由于它的传播波矢要大于光在自由空间中的波矢, 电磁波被束缚在金属和电介质的分界面而不会向外辐 射,也正是因为这种独特的波矢特性,表面等离子体 激元的激发需要满足一定的波矢匹配条件。 二.SPPs 的激发和仿真方法 由于 SPSs 的 波矢量大于光波的波矢量,或者说 SPPs 的动量与入 射光子的动量不匹配,所以不可能直接用光波激发出 表面等离子体波。为了激励表面等离子体波,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: (1)棱镜耦合:棱镜耦合的方式包括两种,一 种是 Kretschmannt 方式;另一种是 Otto 方式。 (2) 采用波导结构(3)采用衍射光栅耦合(4)采用强聚 焦光束(5)采用近场激发。 目前主要的仿线)时域有限差分法(finite difference time domain,FDTD):FDTD 方法是把 Maxwell 方程式在时 间和空间领域上进行差分模拟,利用蛙跳式(leaf flog algorithm)空间领域内的电场和磁场进行交替计算, 电磁场的变化通过时间领域上更新来模仿。优点是 能够直接模拟场的分布,精度比较高,是目前使用 较多的数值模拟方法之一。 ( 2 )严格耦合波法 (rigorous coupled—wave analysis,RCWA):该方法是 分析光栅的有利工具,它是基于严格的矢量 maxwell 方程来分析。由于在很多的表面等离子的结构中都 会引入衍射光栅结构,所以 RCWA 方法也被越来越 多的学者用来分析相关的问题,并且取得了不错的 效果。 (3)限元法(finite element method,FEM):该 方法是从变分原理出发,将定义域进行有限分割, 离散成有限个单元集合。通过区域剖分和分偏差值, 把二次泛函的极值问题化为普通多元二次函数的极 值问题,后者等价于一组多元线性代数方程的求解。 该方法分析的是一种近似结果,不过很多的问题能 近似模拟,目前应用也比较广泛。 三.SPPs 的 若干应用 1. SPPs 波导 SPPs 波导是实现纳米光子回 路 的 基础 ,在此 基 础上 人们可 以 进一 步研制 集 成 于金属表面的各种 SPPs 器件,从而构筑等离子体光 子芯片。在这方面,武汉大学汪国平教授领导的研 究小组的研究成果较为突出,并著有相关著作。在 表面等离子带隙结构中引入线缺陷即可引导 SPPs 的 传播,通过设计缺陷的形状可以实现 SPPs 的直线波 导、弯曲波导以及分束波导等。 . 2SPPs 耦合器 等 离子体光子芯片具有输出输入端口,这些端口通过 SPPs 耦合器,可以避免将远场光直接耦合到 SPPs 芯 片中的纳米光电子器件上。一个优选的方案是将半 球形状的金属纳米颗粒与基于纳米点的 SPPs 波导整 合一起。当聚焦的 SPPs 馈送进耦合器中,传播距 离可达 4.0m。纳米点也能够用于聚焦 SPPs,形成高 近场强度和亚波长宽度的光斑。 3.SPPs 新型光源 SPPs 引发的电磁场,不仅能够限制光波 能够产生和操控从光频到 在亚波长尺寸结构中的传播,而且 微波波段的电磁辐射。在有源光学材料附近附着金属结构,在 金属结构表面诱导产生 SPPs,使得有源光学材料周同的光子态 密度发生显著变化,从而改变有源光学材料的自发辐射寿命, 减弱非辐射过程对于其发光过程的影响,进而提高发光效率。 利用 SPPs 能够改善激光器的性能。例如,在 SEMS 型硅基激光 器中引入表面刻有光栅结构的金薄膜结构,选择特定的铒离子 极化方向,受到外部光激发的铒离子能够有效诱导产生表面等 离子体激元,研究结果表明:多层掺铒硅单层的平均自发辐射 寿命缩短了,相应的 SEMS 型硅基激-1 光器在 1.54mm 波长处的 增益系数提高了 24%(原增益系数为 30cm)。 4. SPPs 纳米光 刻技术 2005 年,美国加州大学伯克利分校的 Zhang 等利用基 于表面等离子体原理进 行纳米光刻的实验旧,在 365 nm 波长 照明光作用下实现了超衍射分辨力光刻,对单线 nm,对光栅线 nm。在该光刻实验结构 中,掩模版、间隔层、薄 Ag 板和光刻胶做成一个整体,薄 Ag 板通过电子束蒸发淀积而成,间隔层则是通过多次刻蚀达到要 求的厚度,这一实验的报道,极大地推动了 SPPs 在光刻技术中 应用的研究。 5. SPR 传感器 利用表面等离子体共振现象 为传感器领 研制光化学传感器已引起人们的极大兴趣,正成 域的研究前沿。光纤 SPR 传感器在传感机理上主要有两类:一 是利用倏逝场效应,通过腐蚀或研磨掉包层后在纤芯表面镀金 属膜,或在锥形光纤表面镀金属膜;二是在纤芯内写入长周期 光栅,将芯内的模式在某一特定波长转化成包层高阶模,使高 阶模与等离子体实现相位匹配。表面等离子体共振技术以其高 灵敏度和快速的无标记检测的优点,根据其原理研制的表面等 离子体传感器,在检测、分析生物分子间的相互作用等方面有 广泛的应用前景。目前,表面等离子 体共振技术已经运用在免疫检测、药物代谢及蛋白 质动力学等生命科学研究中。

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