表面等离子体
需积分: 9 12 浏览量
2013-04-10
09:35:44
上传
评论
收藏 505KB DOC 举报
表面等离子体激元
引 言
表面等离子体激元 ( Surface Plasmon Polaritons , SPPs)是光和金属表面的自由电子相互
作用所引起的一种电磁波模式, 或者说是在局域金属表面的一种自由电子和光子相互作用形
成的混合激发态。在这种相互作用中, 自由电子在与其共振频率相同的光波照射下发生集体
振荡。它局限于金属与介质界面附近,沿表面传播，并能在特定纳米结构条件下形成光场增
强, 这种表面电荷振荡与光波电磁场之间的相互作用就构成了具有独特性质的 SPPs。
导体中 SPPs 的激发，使利用金属等导体材料来控制光的传播成为现实, 但受电子元件
工艺制作水平的限制，在微米、纳米尺寸的元件和回路成功运用之前 , SPPs 并没有显露出
它的特性, 亦不为人们所关注。随着工艺技术的长足进步, 制作特征尺寸为微米和纳米级的
电子元件和回路已逐渐成熟，人们又重新点燃对 SPPs 的极大热情并开展重点研究。目前，
SPPs 已经被应用于生物、化学、传感、光电子集成器件等多个领域。实际应用中，只有当
结构尺寸可以与 SPPs 传播距离相比拟时，SPPs 特性和效应才显露出来，有时候也用表面
等离子体共振 ( Surface Plasmon Resonance ,SPR )技术来描述其相关特性。
1 表面等离子体的原理
表面等离子体（surface plasmons，SPs）是指在金属表面存在的自由振动的电子与光
子相互作用产生的沿着金属表面传播的电子疏密波。它在表面处场强最大，在垂直于界面
方向是指数衰减场，它能够被电子也能被光波激发。其产生的物理原理如下：如图 1 所示，
在两种半无限大、各向同性介质构成的界面，介质的介电常数是正的实数，金属的介电常
数是实部为负的复数。
金属表面的自由电子和光波产
生共振相互作用，决定了表面等离
子波的独特特性。
SPPs 有两个明显的特征：
（1 ）SPPs 在传播方向上具有比
光波大的传播波矢（即更 短的 波
长）。
（2）在与传播方向垂直的方向上是消逝场。 图 1
2 表面等离子体的基本特性
2.1 SPPs 的色散关系
众所周知，在可见光和近红外波段，
光波不能直接与光滑金属表面上等离子
体耦合（光被反射或散射），究其原因
可以从色散曲线上来解释。以空气为例，
空气和银界面上的 SPPs 色散关系如图 2
所示。
从图 2 可以知道，在低频段 SPPs
的色散曲线与光在空气中的色散曲线靠
近，频率越低的模式其相速度越接近光
图 2 SPPs 色散关系
速 c，频率越高 SPPs 色散曲线越会偏离光在空气中的色散曲线，并且向一个固定的频率
值趋近，这个值叫做表面等离子体频率，其大小为：
评论0
最新资源