表面等离子体激元研究现状及应用

表面等离子体激元研究现状及应用黄增盛（桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林541004）摘要：表面等离子体激元（SPPs）是在金属和介质界面传播的一种波动模式，本文主要讨论了的一些基本特性，概述了现在阶段主要的一些激发产生的方式。描述了在集成光通信上的应用，比如基于表面等离子体激元的纳米激光器、新型波导和SPPs耦合器等纳米光子器件。分析了表面等离子体共振(SPR)技术在生物及医疗领域的新应用，并对其在治疗癌症方面的技术原理进行了讨论。介绍了SPPs在新型光源和能源领域的发展和应用情况，最后讨论了SPPs在光存储方面的快速发展。关键词：表面等离子激元；表面等离子体共振；纳米激光器TheresearchsituationandapplicationsofsurfaceplasmonpolaritonsHuangZeng-sheng(SchoolofInformationandCommunicationEngineering,GuilinUniversityofElectronicTechnology,Guilin541004,China)Abstract:Surfaceplasmonpolaritons(SPPs)isinawavepatternofdielectricandmetalinterfacecommunication,somebasicpropertiesarediscussedinthispaper,anoverviewofthemainstagegeneratednowsomeway.Describedintheapplicationofintegratedopticalcommunication,suchasnanolasers,novelwaveguideandSPPscouplerbaseonthesurfaceplasmon.Analysisnewtechnologyappliesofthesurfaceplasmonresonance(SPR)inbiologicalandmedicalfields,andtheprincipleofthetechniqueinthetreatmentofcancerarediscussed.IntroducingtheSPPsdevelopmentandapplicationinthenewfieldofenergysource,andfinallydiscussedtherapiddevelopmentofSPPsinopticalstorage.Keywords:Thesurfaceplasmonpolaritons;Thesurfaceplasmonresonance;Thenanolasers表面等离子体激元(SurfacePlasmonPolaritons,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。它既具有光子学的速度，又具有电子学的尺度，能够在亚波长结构中对光进行约束和操控，被喻为目前最有希望的纳米集成光子器件的信息载体。目前，SPPs光波导、亚波长孔径的增强透过现象以及光控高速光开关从实验和理论上都得到了广泛的论证。伴随着纳米科技的蓬勃发展，许多有趣的表面等离子体光学器件不断向前推进，在各个领域发挥着越来越重要的作用。1SPPs的基本特性表面等离子体激元是指光子与金属表面的自由电子相互作用而被俘获，外来光子电磁场激发引起金属中电荷密度涨落产生的电磁模式，它沿着金属表面传播，是一种倏逝表面波，满足麦克斯韦方程[2]。图1表面等离子体激元在金属与介质表面附近的电荷震荡示意图如图1所示，在一个平坦的半无限金属表面，假定金属与介质的界面位于yz面，x=0，而法线方向为x轴。入射光的磁场沿y轴方向入射到界面上，表面等离子体激元沿z轴方向传播，x＞0的区域是真空或者其他介电材料，其介电常数为ε1；x＜0的区域为金属，其介电常数为ε2，金属的介电常数的实部是负值，即Re(ε2)＜0。介质(或真空)和金属中的电场分别为E1和E2，磁场分别为H1和H2，波矢分别为k1和k2，表面等离子体激元波矢为kspp，真空中的波矢为k0，根据麦克斯韦方程，设定电磁场的形式如下:在x＞0区域:zkxkizxeHH110,,01（1）zkxkizzxeEEE111x11,0,（2）有：212011zxkkk（3）同理，在x＜0区域:zkxkizxeHH110,,02（4）zkxkizzxeEEE222x22,0,（5）222022-zxkkk（6）利用电场的切向分量在边界上连续有:sppzzkkk21（7）电场由麦克斯韦方程确定:EikH0（8）于是有，在x=0处，02211xxkk（9）由式(3)、(6)、(7)、(9)，消去k1x和k2x可得:21210kkspp（10）注意到，金属的ε2＜0，|ε2+ε1|＜|ε2|，因此，kspp＞k0。介电材料中，k21x＜0，k1x为虚数；在金属中，因为ε2＜0，所以有k22x=ε2，k20－k2spp＜0。由此可以推断出，表面等离子体激元在垂直金属表面+x和－x两个方向上无论是穿透介质(真空)还是金属，都是以指数衰减，只能沿着表面传播[3]。用表面等离子体激元的这种特性，制作一些金属的纳米结构，可以使光子耦合成为表面等离子体激元，并限制在纳米尺度的金属表面，从而极大地压缩电磁场在空间上的分布尺度。2SPPs的激发和仿真方法由于SPPs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)采用棱镜耦合，比较常用的有Otto方式和Kretschmann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。目前主要的仿真方法有以下3种：（1）时域有限差分法（finitedifferencetimedomain，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（leafflogalgorithm）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（rigorouscoupled-waveanalysis，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）有限元法（finiteelementmethod，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。3SPPs的应用3.1表面等离子体激元纳米激光器利用表面等离子体激元的特性，制作一些金属的纳米结构，可以使光子耦合成为表面等离子体激元，并限制在纳米尺度的金属表面，从而极大地压缩电磁场在空间上的分布尺度。述理论为实现纳米激光器提供了理论基础在基于表面等离子体激元的纳米激光器中，增益介质的作用依然提供光增益和粒子数反转。电子空穴对(激子)被外界能量泵浦激发后，在激子能级跃迁的复合过程中，靠近金属表面的电子跃迁更多地耦合成为表面等离子体激元，从而沿着金属表面传播，而不形成光子，这就是黑暗模式(darkmode)。黑暗模式沿着金属与介质的界面传输而没有辐射损耗，换言之，表面等离子体激元激光器产生相干强近场而不必辐射光子，不能通过远场方式观测。由于该模式耦合成为表面等离子体激元的自发辐射，没有向外界辐射光子，因此可以用来提供噪声很小的光学放大和较大的损耗补偿。通过打破纳米结构的对称性可以使得表面等离子体激元从黑暗模式转变为发光模式。表面等离子体激元在金属纳米结构附近共振可以导致自发辐射增强，因此在集成纳光子器件中有着重要的应用。3.2表面等离子体光波导表面等离子激元能在导体和绝缘体的界面上传播，而在垂直于表面的方向,其强度随它离表面的距离呈指数减小。这些表面电磁波是由于电磁场与导体的电子等离子体祸合而产生的。由于一般介质都有损耗，所以在界面上的传播距离是有限的，SP的传播距离定义为当模的功率/强度降到初始值的e-1时，SP沿表面传播的距离：ispk21sp。银是在可见光范围内损耗最小的金属，即使这样，算出的传播长度在可见光范围内也只有10-100m。在1.5m的近红外光带传播长度趋近于1mm。由于其传播距离太短，所以在过去,表面等离子激元的传播被认为没有什么利用价值。随着科学技术的进步和纳米技术的飞速发展，制作本身尺度小于表面等离子激元传播长度的器件成为可能，表面等离子激元就有了用武之地。要利用表面等离子激元作为光波导，可以通过一定的亚波长结构来实现。通过解一定边界条件的Maxwell方程，周期性的亚波长结构对光的汇聚和引导作用可以被模拟出来，因而为设计这种类型的光波导提供了帮助。在很多有条件的实验室,已经有很多可行的表面等离子激元光波导被制作出来。表面等离子体光波导的实现和应用具有重要的意义。长远来说，它是实现全光回路(OPticalcircuit)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等离子体反射器、分波器、光开关和成束元件。3.3SPPs纳米光刻技术由于光学衍射极限的存在，传统的光学刻写方法无法刻出超衍射极限的精细结构。尽管光投影刻蚀术（opticalprojectionlithgraphy）可以通过采用更短的波长光源来达到上述目的，然而也会引发一系列相关的问题：例如，要求研发新的光源，新的光敏层材料，相关的光子学等等，这些问题都有待解决。目前，利用SPPs能够在接近金属表面产生一个很强的局域场，使问题有望得以解决。当SPPs共振频率落入一个光敏层的灵敏区时，金属表面增强的光场能够局域地增加直接放在掩膜下面的光敏层的曝光。此技术不受衍射极限的限制，可以采用宽光束的可见光来照明标准的光敏层，制作出亚波长尺寸的结构。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，在365nm波长照明光作用下实现了超衍射分辨力光刻，对单线条的分辨力达到40nm，对光栅线条的分辨力可达60nm。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，实验结构如图2所示。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。（a）立体结构（b）侧面结构图2.Superlens结构3.4亚波长金属狭缝透射的奇异增强与聚束效应按照经典的电磁理论，光通过亚波长金属狭缝或圆孔时,其透射量将会很小，并透射量在角分布上没有变化。但是如果在此亚波长缝隙周围构造出适当的周期性几何结构，将会突破经典限制而使得光通过亚波长孔、缝时的透射显著增强这时表面等离子体激元通过光栅藕合被激发，当穿过小孔或狭缝后，表面等离子体激元场的能量被散射到出射侧的远场之中。在出射面被散射的消逝场将会形成传播场，在这里SPs的近场增强特性对消逝场的衰减进行了补偿，有效地提高了能量的传输效率在金属薄膜足够薄的时候,金属上下表面的SPs将会发生重叠并通过小孔发生相互作用。光栅藕合促成的波矢匹配条件将会使系统的透射谱T(0)出现一个特别的结构：在表面等离子体激元被激发的波长处出现峰值。在这些波长处，T1成为可能)透过的光强高于该区域入射的光强。Ebbesen和他的同事在1998年首次观察到了这种奇异的透射增强现