表面等离子极元 - 中国科学院物理研究所
表面等离子极元 - 中国科学院物理研究所
表面等离子极元 - 中国科学院物理研究所
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2006年现代光学全国研究生暑期学校<br />
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
- 微纳结构光电子器件 -<br />
<strong>表面等离子极元</strong><br />
黄 翊 东<br />
清 华 大 学 电 子 工 程 系<br />
Dept. of Electronic Engineering Tsinghua University<br />
Tel: 62783389 Email: yidonghuang@tsinghua.edu.cn
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
传统的集成光电子技术寻求突破<br />
已经产品化的8阵列波长选择集成光源<br />
Δλ 16-20nm<br />
传统的集成光电子技术<br />
所不能解决的问题限制<br />
了光电子器件的发展<br />
Window<br />
7deg.-tilted<br />
output WG<br />
SOA+EA SOA<br />
20 μm<br />
Window<br />
8 microarray<br />
λ/4-shifted DFB-LDs<br />
S-bent WGs<br />
(R= 400 μm)<br />
8x1 MMI<br />
Chip size:<br />
0.4x2.15 mm 2
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
纳结构-全新的光学<br />
纳结构 全新的光学<br />
物理特性<br />
使得经典结构中不可能实现<br />
的光电器件成为可能<br />
预示了诱人的应用前景
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
纳结构下新的光电子效应<br />
在纳尺度 (包括纳米,十纳米,百纳米)控制物质的光电结构<br />
及其与光场的相互作用<br />
光子能带效应<br />
?<br />
金属表面<br />
plasmon效应<br />
物质<br />
微腔效应 相<br />
互<br />
作<br />
用<br />
量子效应<br />
光场<br />
近场效应
超透明小孔<br />
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
λ λ<br />
a < λ
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
98年Nature报道了“超透明小孔” 这一重大发现<br />
Nature, vol. 391, p. 641, 12 Feb. 1998
超透明小孔实验写真<br />
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
0.4 μm<br />
0.6 μm<br />
光栅周期<br />
0.8 μm<br />
实验条件<br />
Ag膜厚: 0.3微米<br />
小空直径是光栅周期的1/4<br />
从小空背面由白光源照射<br />
对应于相应的光栅周期的<br />
光密度被增益放大后通过了小孔<br />
小空与小空之间也有光?<br />
Data: Courtesy of J. Fujikata
超透明小孔测试结果<br />
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
通过了约15%的光能量<br />
小孔的面积为总面积的11%<br />
透过率为 130%?!<br />
光波不仅通过了比其波长小的小孔,<br />
而且光强还被放大了!
Ag膜<br />
超透明小孔测试结果<br />
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
一个或多个贯通小孔都可以<br />
同心圆沟槽<br />
Bull’s-eye<br />
目前超透明小孔效应最大的结构
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
Bull’s Eye型结构<br />
周期分布的沟形结构 只在中心设小孔<br />
◇ Preparation<br />
FIB etching and sputter deposition<br />
◇ Specifications<br />
Groove pitch 750 nm<br />
Groove depth 200 nm<br />
Aperture diameter 200 nm<br />
Ag film thickness 300 nm<br />
Data: Courtesy of T. Ishi
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
89<br />
95<br />
96<br />
97<br />
98<br />
99<br />
00<br />
01<br />
发现及研究的经历回顾<br />
/ 确认了超微细周期小孔对透射光的放大作用 (89-93: Ebbesen NEC)<br />
/ 超微细周期小孔透射光放大作用的基础研究/理论探索 (94 NEC)<br />
/ Wolff 提出表面Plasmon共鸣机制<br />
/ 在Nature杂志上发表了第一篇有关Plasmon增益效应的论文<br />
/ 发表了单一小孔的增益效应<br />
/ NEC所属研究机构开始联合研究<br />
/ 开始应用方面的研究<br />
/ 研制Plasmon增益光存储器件<br />
/ 研制利用Plasmon效应的光回路
等离子体-物质的第四态<br />
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
物质有三种不同的聚集态:<br />
固态、液态、气态<br />
对于气态的物质,温度升高到几千度时,<br />
将会有什么新的变化呢?<br />
由于物质分子的热运动的加剧,相互间的碰撞就会使<br />
气体的分子产生电离,这样的物质就变成由自由运动<br />
并相互作用的正离子和电子组成的混合物<br />
等离子体-物质的第四态
等离子体的定义<br />
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
因为电离过程中正离子和电子总是成对出现的,<br />
等离子体中的正离子和电子的总数大致相等,总<br />
体看起来为电中性。<br />
定义:正离子和电子的密度大致相等的电离气体<br />
通常等离子体中存在电子、正离子和中性粒子<br />
电离度:<br />
β =<br />
n e n i n n<br />
n +<br />
e<br />
/( ne<br />
nn<br />
)<br />
β ≥1%<br />
强电离等离子体<br />
β ≤ 0.<br />
1%<br />
弱电离等离子体
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
各种等离子体的密度和温度<br />
温度 [K]<br />
10 8<br />
10 6<br />
10 4<br />
10 2<br />
行星际<br />
恒星际<br />
日冕<br />
电离层<br />
辉光放电<br />
(低温等离子体)<br />
火焰<br />
核聚变<br />
1 10 6 10 10 10 14 10 18 10 22 10 26<br />
等离子体密度 [m -3 ]<br />
电弧放电<br />
(热等离子体)
等离子体振荡频率<br />
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
近似认为离子不动<br />
电子相对于离子做往回运动<br />
等离子体内电子的集体振荡<br />
振荡频率:<br />
ω =<br />
p<br />
2 /<br />
4πne m<br />
电子浓度 电子质量<br />
0
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
ε 1<br />
表面等离子振荡<br />
金属表面电子浓度的起伏形成表面等离子振荡<br />
(介质)<br />
---+ + + ---+ + + ---+ + + ---<br />
ε m (金属)<br />
Surface plasma oscillations
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
ε 2<br />
<strong>表面等离子极元</strong>的两个特征<br />
k z<br />
k x<br />
---+ + + ---+ + + ---+ + + ---<br />
ε 1 (金属)<br />
k = 2π<br />
/ λ<br />
Esp sp z<br />
Surface plasma oscillations<br />
sp<br />
表面等离子波<br />
的波长<br />
( x,<br />
z)<br />
= E exp( ik x − k | z<br />
0<br />
sp<br />
z<br />
|)<br />
E z ~e -|k z|z<br />
E z
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
<strong>表面等离子极元</strong><br />
k<br />
( 1)<br />
=<br />
2<br />
z<br />
sp<br />
( k −ε<br />
( ω / c)<br />
k<br />
( m)<br />
=<br />
2<br />
z<br />
sp − ε m<br />
1<br />
( k ( ω)(<br />
ω / c)<br />
2<br />
)<br />
1/<br />
2<br />
2<br />
)<br />
1/<br />
2<br />
k z (1) 和kz (m) 的实部必须是正值,才能保证所<br />
描述的是表面波,即能量是集中在z=0附近
<strong>表面等离子极元</strong><br />
2<br />
/<br />
1<br />
1<br />
1<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
⎥<br />
⎦<br />
⎤<br />
⎢<br />
⎣<br />
⎡<br />
+<br />
=<br />
ω<br />
ε<br />
ε<br />
ω<br />
ε<br />
ε<br />
ω<br />
m<br />
m<br />
sp<br />
c<br />
k<br />
2<br />
2<br />
1<br />
)<br />
(<br />
ω<br />
ω<br />
ω<br />
ε<br />
p<br />
m<br />
−<br />
=<br />
其中:<br />
振荡频率:<br />
0<br />
2 /<br />
4 m<br />
ne<br />
p<br />
π<br />
ω =<br />
电子浓度 电子质量<br />
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班
ω/ω p<br />
<strong>表面等离子极元</strong><br />
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
ω sp<br />
ω=ck/ε 1 1/2<br />
k<br />
sp<br />
=<br />
光场色散曲线<br />
kc/ω p<br />
ω ⎡ ε1ε<br />
( ) ⎤<br />
m ω<br />
c<br />
⎢<br />
1 ( )<br />
⎥<br />
⎣ε<br />
+ ε m ω ⎦<br />
ω=ω p /(1+ε 1 ) 1/2<br />
Surface Plasma Polariton<br />
1/<br />
2<br />
Surface Plasma
k<br />
k<br />
=<br />
ω ε iεm ( )<br />
c ε + ε<br />
2 2<br />
sp<br />
ε<br />
m<br />
ω<br />
= ( )<br />
c<br />
2 2<br />
sp<br />
<strong>表面等离子极元</strong><br />
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
+<br />
i m<br />
2<br />
p<br />
ω<br />
= 1−<br />
ω<br />
2<br />
ε ω ω<br />
ω<br />
2 2<br />
i(1 − p )<br />
ε + 1−ω<br />
ω<br />
ω<br />
2 2<br />
i p<br />
sp<br />
photon<br />
ω = ck / ε<br />
k<br />
ω<br />
sp<br />
=<br />
Surface Plasma<br />
Surface Plasma Polariton<br />
ω<br />
p<br />
1+<br />
ε<br />
i
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
<strong>表面等离子极元</strong>的两个特征<br />
金属表面的自由电子和光波产生共振相互<br />
作用,决定了表面等离子波的独特特性<br />
SPP有两个明显的特征:<br />
(1)SPP在传播方向上具有比光波大的<br />
传播波矢(即更短的波长)<br />
(2)在与传播方向垂直的方向上是消逝场
内部损耗<br />
表面等离子振荡的损耗<br />
2<br />
/<br />
1<br />
1<br />
1<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
+<br />
=<br />
ω<br />
ε<br />
ε<br />
ω<br />
ε<br />
ε<br />
ω<br />
m<br />
m<br />
sp<br />
c<br />
k<br />
2<br />
'<br />
"<br />
2<br />
/<br />
3<br />
'<br />
1<br />
'<br />
1<br />
"<br />
)<br />
(<br />
2 m<br />
m<br />
m<br />
m<br />
sp<br />
c<br />
k<br />
ε<br />
ε<br />
ε<br />
ε<br />
ε<br />
ε<br />
ω<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
+<br />
=<br />
2<br />
/<br />
1<br />
'<br />
1<br />
'<br />
1<br />
'<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
+<br />
=<br />
m<br />
m<br />
sp<br />
c<br />
k<br />
ε<br />
ε<br />
ε<br />
ε<br />
ω<br />
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班
表面等离子振荡的传播长度<br />
1<br />
" )<br />
2<br />
(<br />
−<br />
= sp<br />
i<br />
k<br />
L<br />
振荡强度减少到1/e时的长度:<br />
)<br />
(<br />
2<br />
)<br />
( "<br />
x<br />
P<br />
k<br />
dx<br />
x<br />
dP<br />
sp<br />
=<br />
−<br />
表面等离子体振荡产生电磁场的Poynting矢量<br />
2<br />
'<br />
"<br />
2<br />
/<br />
3<br />
'<br />
1<br />
'<br />
1<br />
"<br />
)<br />
(<br />
2 m<br />
m<br />
m<br />
m<br />
sp<br />
c<br />
k<br />
ε<br />
ε<br />
ε<br />
ε<br />
ε<br />
ε<br />
ω<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
+<br />
=<br />
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班
SP传播距离的估算值<br />
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
" −1<br />
L 由左式得到的估算值(μm)<br />
i = ( 2ksp<br />
)<br />
波長 310nm 1.55μm 13μm<br />
Ag 2 4.7×103 2.7×104 Ag 2 4.7×103 2.7×104 Au 2 4.5×103 4.6×105 Au 2 4.5×103 4.6×105 Al 50 2.2×103 2.7×105 Al 50 2.2×103 2.7×105 紫外波段Al的<br />
传播距离最长<br />
红外波段可到mm量级
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
L<br />
δ m<br />
δ d<br />
λ<br />
L i<br />
i<br />
= ( 2ksp<br />
SPP的三个特征长度<br />
" −1<br />
)<br />
δ d<br />
δ m<br />
Aluminium at 0.5 μm<br />
Silver at 1.5 μm<br />
z<br />
|E z|
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
局域表面等离子振荡<br />
如果在介质和金属的界面上存在微细结构<br />
(微粒或微小沟槽),那么,除了SPP之外,<br />
还会存在一种局域在微细表面结构上的所谓<br />
Local SP(LSP)<br />
局域表面等离子振荡<br />
LSP的频率除了金属和介质的材料以外,<br />
还与微细结构的尺度形状有关
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
♦<br />
♦<br />
LSP和SPP的不同<br />
两者的色散关系不同,SPP是一种表面的传播场,<br />
而LSP是依托于某种表面结构的局域电磁场振荡,<br />
具有一系列分立的、复数的频率,是由产生LSP<br />
的表面微结构的尺度形状决定的<br />
LSP振荡可以由合适的频率和偏振的光来激发,<br />
与激励光的波矢无关,而SPP的激发则要求激励<br />
光的频率和波矢都要和SPP匹配
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
LSP和SPP可以相互转换<br />
在粗糙的表面,LSP和SPP的频率接近<br />
LSP振荡可以激励SPP,SPP也可以激发LSP<br />
LSP<br />
能量转换<br />
SPP<br />
LSP和SPP之间能量的转换,对于SPP的<br />
激励起着重要作用。(因为LSP不要求波<br />
矢匹配,通过LSP来激发SPP效率更高)<br />
提高了表面结构对于SPP的散射作用
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
表面等离子场的散射<br />
界面的表面形态对SPP的散射是SPP特性的<br />
一个重要方面,它决定了粗糙或是具有微结<br />
构金属表面的光学特性<br />
SPP和表面微结构之间的相互作用有三种:<br />
(1)SPP被散射形成另一个方向传播的SPP<br />
- SPP的反射<br />
(2)SPP通过微结构区域后继续按照原来的传播<br />
方向传播<br />
- SPP的透射<br />
(3)SPP被散射后转换成了光波
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
表面等离子场的散射<br />
far-field<br />
光波<br />
near-field<br />
SPP的反射 表面微结构 SPP的透射
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
表面等离子振荡的光激发<br />
为了用p-polarized入射光在金属和介质的界面上激励<br />
起SPP波,需要满足频率匹配、波数匹配两个条件<br />
入射光在金属平面上的分量要等于SPP的波数:<br />
ε ( ω / c)<br />
sinθ<br />
( ω)<br />
+ ε )]<br />
1<br />
= ( ω / c)[<br />
ε1ε<br />
m ( ω)<br />
/( ε m<br />
对于同一频率ω,等离子振荡的波矢大于光波矢<br />
所以,对于能量 hω的入射光子,它的波矢必须增加Δk,<br />
才能将入射光子能量“转成”表面等离子振荡<br />
1<br />
1/<br />
2
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
表面等离子振荡的光激发<br />
kx<br />
ω<br />
c<br />
k<br />
c<br />
ω<br />
=<br />
sinθ<br />
θ 0<br />
0<br />
±<br />
Δk<br />
Δk x<br />
x<br />
k sp<br />
=<br />
k<br />
sp
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
表面等离子振荡的光激发<br />
excitation by evanescent field<br />
Kretschmann结构<br />
入射光<br />
SPP<br />
棱镜<br />
金属
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
表面等离子振荡的光激发<br />
在折射率较大的物质中,波数会增大。在某一个角<br />
度,棱镜中光波的水平方向分量和空气-金属界面<br />
上SPP的波矢相同时,光场和SPP场通过隧穿效应<br />
发生共振,产生能量的转换<br />
ω<br />
k sp = ε prism sinθ<br />
(3-33)<br />
c
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
表面等离子振荡的光激发<br />
ω<br />
k sp = ε prism sinθ<br />
(3-33)<br />
c<br />
满足这一条件时,可以观察到在金属和棱镜的界<br />
面的反射率有一个极小值,这时光场和SPP之间的<br />
耦合效率可接近100%。由于SPP的能量集中在表<br />
面,比起入射光的能量密度可以高2-3个数量级。<br />
耦合效率会随着金属膜的厚度的变化而变化,存<br />
在最佳的金属膜的厚度
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
表面等离子振荡的光激发<br />
excitation by evanescent field<br />
θ
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
表面等离子振荡的光激发<br />
excitation by evanescent field
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
表面等离子振荡的光激发<br />
对于很厚的金属膜,或者就是金属块状体,<br />
Kretschmann结构不能在其表面上激励起SPP模<br />
Otto结构:<br />
在金属上方放置一块棱镜,和金属表面之间留有缝隙,<br />
光场的隧穿效应在棱镜和金属之间的缝隙中发生
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
表面周期结构中光子与SP的耦合<br />
ε 2=1<br />
k<br />
x<br />
ω<br />
c<br />
ε<br />
a<br />
θ<br />
sin 0<br />
υ: 正整数<br />
±<br />
ν<br />
g<br />
=<br />
ω<br />
c<br />
ε<br />
g=2π /a<br />
ε<br />
+ 1<br />
=<br />
ksp
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
表面周期结构中SP与光子的耦合<br />
入射光<br />
表面等离子振荡
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
表面周期结构中光子与SP的耦合<br />
ε ε2=1 2=1<br />
ω<br />
sinθ<br />
0<br />
c<br />
ε<br />
a<br />
θ 0<br />
±νg<br />
=<br />
k<br />
sp<br />
反射光强度<br />
计算值<br />
实验值<br />
入射角θ 0
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
表面等离子振荡的光激发<br />
SEM images<br />
Nanostructure<br />
Electron-Beam<br />
Lithography and<br />
Vacuum<br />
Deposition Fabricate with AFM<br />
AFM image
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
表面等离子振荡的光激发<br />
在粗糙的表面,可以不通过任何特别的结构就能实现<br />
SPP的激励,这是由于光场通过表面微结构的折射、<br />
散射会产生很多的波矢分量,同时,微结构产生的<br />
LSP介入SPP的激励过程也可以大大增加激励效率
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
扫描近场显微镜<br />
• Scan at a fixed distance<br />
above the local sample<br />
surface (a few tens of<br />
nanometers).<br />
• Provide simultaneous<br />
topographical and optical<br />
imaging.<br />
SP 场的探测
Surface plasmon propagation in microscale metal stripe<br />
B. Lamprecht et al: Appl. Phys. Lett. 79(2001)51.<br />
SP传播距离的测定<br />
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班
SP传播实验平台<br />
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班
SP传播实验示意图<br />
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
金属波导(Ag 50nm)<br />
Si Si2O衬底 2O衬底<br />
光纤探针(芯径4微米)<br />
光栅耦合器<br />
波导幅宽:0.3-5μm 波导长:5-50μm
SP传播距离的测定结果<br />
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班
超透明小孔实验写真<br />
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
0.4 μm<br />
0.6 μm<br />
光栅周期<br />
0.8 μm<br />
实验条件<br />
Ag膜厚: 0.3微米<br />
小空直径是光栅周期的1/4<br />
从小空背面由白光源照射<br />
对应于相应的光栅周期的<br />
光密度被增益放大后通过了小孔<br />
小空与小空之间也有光?<br />
Data: Courtesy of J. Fujikata
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
超透明小孔产生的机理<br />
-光照射到金属薄膜的小孔阵列上,被周期结构折射、<br />
散射的结果将产生消逝场,该消逝场通过隧道效应<br />
穿过小孔,在金属薄膜的另一个表面可以观测到透<br />
过小孔的光<br />
-光照到金属表面上激励起的表面等离子体,参与了<br />
小孔之间的金属表面上的能量“搬运”,增强了小孔<br />
的光隧道效应<br />
-当金属薄膜足够薄,金属两个表面上的等离子波的<br />
耦合使得小孔的隧道效应发展成共振模式,透过率<br />
将在某一个波长被强烈增大
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
Bull’s Eye型结构<br />
周期分布的沟形结构 只在中心设小孔<br />
◇ Preparation<br />
FIB etching and sputter deposition<br />
◇ Specifications<br />
Groove pitch 750 nm<br />
Groove depth 200 nm<br />
Aperture diameter 200 nm<br />
Ag film thickness 300 nm<br />
Data: Courtesy of T. Ishi
SPP在传播方向上的损耗<br />
表面等离子振荡的损耗<br />
2<br />
/<br />
1<br />
2<br />
1<br />
2<br />
1<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
+<br />
=<br />
ε<br />
ε<br />
ε<br />
ε<br />
ω<br />
c<br />
k sp<br />
2<br />
'<br />
1<br />
"<br />
1<br />
2<br />
/<br />
3<br />
2<br />
'<br />
1<br />
2<br />
'<br />
1<br />
"<br />
)<br />
(<br />
2 ε<br />
ε<br />
ε<br />
ε<br />
ε<br />
ε<br />
ω<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
+<br />
= c<br />
k sp<br />
2<br />
/<br />
1<br />
2<br />
'<br />
1<br />
2<br />
'<br />
1<br />
'<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
+<br />
=<br />
ε<br />
ε<br />
ε<br />
ε<br />
ω<br />
c<br />
k sp<br />
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
表面等离子振荡的传播损耗
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
上下表面SP 场
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
上下表面SP 场 耦合<br />
厚金属膜:SPP分别在上下表面传播<br />
0<br />
x<br />
z<br />
h<br />
ε3<br />
εm<br />
ε1<br />
金<br />
属<br />
膜<br />
减<br />
薄<br />
薄金属膜:上下表面SPP发生耦合<br />
对称模式 反对称模式
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
金属薄膜中的SPP传播<br />
- 对称金属薄膜结构-<br />
ε 1<br />
h ε εm Au<br />
ε 1<br />
z<br />
ε 1 = 4.0<br />
x
对称金属薄膜结构<br />
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
Z(nm)<br />
h=15nm<br />
Hy<br />
- 对称模式 -<br />
H y<br />
Z(nm)<br />
h=70nm<br />
Hy<br />
H y
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
Z(nm)<br />
对称金属薄膜结构<br />
- 非对称模式 -<br />
h=15nm h=70nm<br />
Hy<br />
H y H y<br />
Z(nm)<br />
Hy
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
模式传播常数随膜厚变化<br />
β 的实部<br />
H<br />
=<br />
f(z)C<br />
×<br />
非对称模式<br />
对称模式<br />
金属膜厚 h<br />
e<br />
i(ω( −βx)<br />
y
模式传播常数随膜厚变化<br />
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
β 的虚部 (损耗)<br />
H<br />
=<br />
f(z)C<br />
×<br />
非对称模式<br />
金属膜厚 h<br />
e<br />
i(ω( −βx)<br />
y<br />
对称模式
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
长程(Long-Range) SPP<br />
β 的虚部 (损耗)<br />
损耗可以急剧减小!<br />
两类耦合模式:• 对称模sb<br />
• 反对称模ab<br />
非对称模式<br />
金属膜厚 h<br />
对称模式<br />
-长程表面等离子体波(LRSPP)<br />
-短程表面等离子体波
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
Long-Range SPP损耗特性<br />
Gold<br />
d<br />
d<br />
6-8dB/cm<br />
(约1.4mm for 1dB loss)<br />
BCB (n=1.535)<br />
BCB (n=1.535)<br />
Si-Substrate (n=3.47)<br />
t
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
表面等离子振荡的传播损耗
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
Long-Range SPP损耗特性<br />
12μm<br />
12μm<br />
BCB (n= n 0 +Δn)<br />
BCB (n 0 =1.535)<br />
Au<br />
Si-Substrate (n=3.47)<br />
金属膜厚度不同,产生的SPP损耗对上下折射率<br />
不对称性的容差不同
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
Long-Range SPP波导
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
Long-Range SPP波导
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
Long-Range SPP波导传输损耗<br />
TM 00 TM 01<br />
TM 02<br />
TM 03
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
Long-Range SPP波导传输损耗
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
SPP的探测方法<br />
的探测方法<br />
LR-SPP LR<br />
实验观察输出光斑大小的变化
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
Long-Range SPP的器件应用<br />
Stripe Width W<br />
定向耦合器<br />
Interaction Length L<br />
Seperation D
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
Long-Range SP 定向耦合器<br />
Interaction Length (mm)
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
Long-Range SP 定向耦合器
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
入射光<br />
棱镜<br />
金属膜<br />
分析物<br />
在传感方面的应用<br />
SPP 在传感方面的应用<br />
光电探测器<br />
反<br />
射<br />
光<br />
强<br />
分析物<br />
折射率<br />
变化前后<br />
角度(波长)
在传感方面的应用<br />
SPP 在传感方面的应用<br />
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
生物分子相互作用分析(SCIENCE VOL 295 15 MARCH 2002)
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
Long-Range SPP损耗特性<br />
12μm<br />
12μm<br />
BCB (n= n 0 +Δn)<br />
BCB (n 0 =1.535)<br />
Au<br />
Si-Substrate (n=3.47)<br />
金属膜厚度不同,产生的SPP损耗对上下折射率<br />
不对称性的容差不同
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
SPP在传感方面的应用<br />
在传感方面的应用<br />
LR-SPP LR<br />
Changed!
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
Long Range SPP传输损耗变化<br />
SPP<br />
Transmission transmission loss Loss<br />
10 1<br />
10 0<br />
10 -1<br />
10 -2<br />
10 -3<br />
10 -4<br />
10 -5<br />
refraction of the substrate=1.5<br />
1 1.5<br />
传输损耗变化<br />
可用来做折射率测试<br />
refraction of the superstrate<br />
Refraction of Superstrate<br />
2<br />
2.5
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
激励区 敏感区 检测区<br />
光纤<br />
可能的集成化 LRSPP 传感器结构<br />
被检测物<br />
衬底<br />
金属膜<br />
光纤<br />
衬底<br />
量子阱<br />
量子阱<br />
n型半导体材料 电极 金属膜<br />
优点:可集成化、较高灵敏度、大可探测范围、高可靠性、可多通道、低成本<br />
电极<br />
P型<br />
被检测物<br />
电极<br />
P型
周期金属表面SPP波<br />
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
波矢一样,频率(能量)<br />
不同,ω + 和ω- 之间的频率<br />
不能传播<br />
当周期等于1/2 SPP波长时,<br />
存在两个SPP的驻波解<br />
带隙
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
表面等离子体带隙材料<br />
−π/λ g<br />
ω<br />
Wavevector k x<br />
π/λ g<br />
Light lint<br />
SPP在平坦表面<br />
SPP在周期结构<br />
的表面
周期金属表面SPP波<br />
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
带隙
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
周期金属表面SPP波<br />
- 金属表面在两个方向上具有周期结构,则可在平<br />
面内形成全带隙<br />
- 在带隙内,SPP场的模式密度为零,即不存在SPP<br />
模式。在带端处出现带平缓段,这时SP的模式密度<br />
非常大,对应在金属表面场的增强。这种模式可以<br />
被很大角度范围的入射光所激励<br />
- SPP带隙的出现决定于周期、充满系数等。引入缺<br />
陷可以导引SP缺陷模式
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
表面等离子体带隙材料<br />
周期400nm<br />
45nm厚金膜
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
纳结构光电子学<br />
SPP 量子阱 微腔 近场光学 光子晶体<br />
传感<br />
生物传感<br />
SPP-纳结构光子学新领域<br />
近场<br />
存储<br />
例如:<br />
SARS病毒检测<br />
生物分子相互作用<br />
药物筛选, 临床诊断<br />
细胞膜模拟 ……<br />
LED效<br />
率增强<br />
红外<br />
技术<br />
物理量探测<br />
非线性<br />
光学<br />
集成<br />
光路<br />
化学量探测<br />
优点:<br />
实时检测、无需标记、<br />
耗样最少、对被检测物<br />
无损害、探测方法简单
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班<br />
参考文献:<br />
“Nano-optics of surface plasmon polaritons”<br />
参考书:<br />
Physics Reports 408 (2005) 131-314<br />
Surface Plasmons<br />
- on Smooth and Rough Surface and on Gratings<br />
Heinz Raether ISBN 3-540-42850-4
国家自然科学基金委员会<br />
数理学部实验物理讲习班