表面等离子体课件

黄翊东清清华华大大学学电电子子工工程程系系Dept.ofElectronicEngineeringTsinghuaUniversityTel:62783389Email:[e-mail]-微纳结构光电子器件-表面等离子极元表面等离子极元2006年现代光学全国研究生暑期学校国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班传统的集成光电子技术寻求突破传统的集成光电子技术所不能解决的问题限制了光电子器件的发展已经产品化的8阵列波长选择集成光源Δλ16-20nmS-bentWGs(R=400μm)Window8microarrayλ/4-shiftedDFB-LDsWindowChipsize:0.4x2.15mm2SOA8x1MMI7deg.-tiltedoutputWG20μmSOA+EA国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班预示了诱人的应用前景物理特性物理特性纳结构纳结构--全新的光学全新的光学使得经典结构中不可能实现的光电器件成为可能国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班纳结构下新的光电子效应在纳尺度(包括纳米,十纳米,百纳米)控制物质的光电结构及其与光场的相互作用物质光场相互作用金属表面plasmon效应光子能带效应量子效应?近场效应微腔效应国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班超透明小孔aλλλ国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班Nature,vol.391,p.641,12Feb.1998Nature,vol.391,p.641,12Feb.199898年Nature报道了“超透明小孔”这一重大发现98年Nature报道了“超透明小孔”这一重大发现国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班Data:CourtesyofJ.Fujikata超透明小孔实验写真0.8μm0.6μm0.4μm光栅周期实验条件Ag膜厚:0.3微米小空直径是光栅周期的1/4从小空背面由白光源照射小空与小空之间也有光?对应于相应的光栅周期的光密度被增益放大后通过了小孔国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班光波不仅通过了比其波长小的小孔,而且光强还被放大了!超透明小孔测试结果小孔的面积为总面积的11%通过了约15%的光能量透过率为130%?!国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班Ａｇ膜目前超透明小孔效应最大的结构超透明小孔测试结果一个或多个贯通小孔都可以Bull’s-eye同心圆沟槽国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班◇PreparationFIBetchingandsputterdeposition◇SpecificationsGroovepitch750nmGroovedepth200nmAperturediameter200nmAgfilmthickness300nmData:CourtesyofT.IshiBull’sEye型结构周期分布的沟形结构只在中心设小孔国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班/研制Plasmon增益光存储器件/开始应用方面的研究/确认了超微细周期小孔对透射光的放大作用(89-93:EbbesenNEC)/超微细周期小孔透射光放大作用的基础研究/理论探索(94NEC)/Wolff提出表面Plasmon共鸣机制/在Nature杂志上发表了第一篇有关Plasmon增益效应的论文/发表了单一小孔的增益效应/NEC所属研究机构开始联合研究/研制利用Plasmon效应的光回路发现及研究的经历回顾9697989900018995国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班等离子体-物质的第四态物质有三种不同的聚集态：固态、液态、气态由于物质分子的热运动的加剧，相互间的碰撞就会使气体的分子产生电离，这样的物质就变成由自由运动并相互作用的正离子和电子组成的混合物对于气态的物质，温度升高到几千度时，将会有什么新的变化呢？等离子体-物质的第四态国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班因为电离过程中正离子和电子总是成对出现的，等离子体中的正离子和电子的总数大致相等，总体看起来为电中性。等离子体的定义定义：正离子和电子的密度大致相等的电离气体通常等离子体中存在电子、正离子和中性粒子电离度：)/(neennn+=βneninn%1≥β强电离等离子体%1.0≤β弱电离等离子体国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班各种等离子体的密度和温度等离子体密度[m-3]温度[K]102104106108110610101014101810221026恒星际行星际电离层火焰辉光放电(低温等离子体)日冕核聚变电弧放电(热等离子体)国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班等离子体振荡频率近似认为离子不动电子相对于离子做往回运动振荡频率:02/4mnepπω=等离子体内电子的集体振荡电子浓度电子质量国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班表面等离子振荡ε1εm（金属）Surfaceplasmaoscillations---+++---+++---+++---（介质）金属表面电子浓度的起伏形成表面等离子振荡国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班表面等离子波的波长表面等离子极元的两个特征ε2ε1（金属）---+++---+++---+++---Surfaceplasmaoscillationsε2ε2ε1（金属）ε1（金属）---+++---+++---+++---Surfaceplasmaoscillations|)|exp(),(0zkxikEzxEzspsp−=spspkλπ/2=EzzEz~e-|kz|zkzkx国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班表面等离子极元2/1212)1())/((ckkspzωε−=2/122)())/)(((ckkmspmzωωε−=kz(1)和kz(m)的实部必须是正值，才能保证所描述的是表面波，即能量是集中在z=0附近国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班表面等离子极元2/111)()(⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=ωεεωεεωmmspck221)(ωωωεpm−=其中：振荡频率:02/4mnepπω=电子浓度电子质量国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班表面等离子极元kc/ωpω/ωpω=ωp/(1+ε1)1/2ω=ck/ε11/2光场色散曲线SurfacePlasmaSurfacePlasmaPolariton2/111)()(⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=ωεεωεεωmmspckωsp国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班/ckωε=photonspωk22()imspimkcεεωεε=+221pmωεω=−+222222(1)()1ipspipkcεωωωεωω−=+−1pspiωωε=+ω表面等离子极元SurfacePlasmaPolaritonSurfacePlasma国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班表面等离子极元的两个特征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（1）SPP在传播方向上具有比光波大的传播波矢（即更短的波长）SPP有两个明显的特征：（2）在与传播方向垂直的方向上是消逝场国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班内部损耗表面等离子振荡的损耗2/111)()(⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=ωεεωεεωmmspck2'2/3'1'1)(2mmmmspckεεεεεεω⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=2/1'1'1'⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=mmspckεεεεω国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班表面等离子振荡的传播长度1)2(−=spikL振荡强度减少到1/e时的长度：)(2)(xPkdxxdPsp=−表面等离子体振荡产生电磁场的Poynting矢量2'2/3'1'1)(2mmmmspckεεεεεεω⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班SP传播距离的估算值由左式得到的估算值(μm）波長　310nm1.55μｍ　　13μmAg　　　　2　　4.7×103　　　2.7×104　Au　　　　2　　　　4.5×103　　4.6×105　Al　　　50　　　　2.2×103　　　2.7×105　由左式得到的估算值(μm）波長　310nm1.55μｍ　　13μmAg　　　　2　　4.7×103　　　2.7×104　Au　　　　2　　　　4.5×103　　4.6×105　Al　　　50　　　　2.2×103　　　2.7×105　1)2(−=spikL紫外波段Al的传播距离最长红外波段可到mm量级国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班SPP的三个特征长度δmδdLiλAluminiumat0.5μmSilverat1.5μm1)2(−=spikLδdδmz|Ez|国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班如果在介质和金属的界面上存在微细结构（微粒或微小沟槽），那么，除了SPP之外，还会存在一种局域在微细表面结构上的所谓LocalSP（LSP）局域表面等离子振荡LSP的频率除了金属和介质的材料以外，还与微细结构的尺度形状有关局域表面等离子振荡国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班两者的色散关系不同，SPP是一种表面的传播场，而LSP是依托于某种表面结构的局域电磁场振荡，具有一系列分立的、复数的频率，是由产生LSP的表面微结构的尺度形状决定的LSP和SPP的不同LSP振荡可以由合适的频率和偏振的光来激发，与激励光的波矢无关，而SPP的激发则要求激励光的频率和波矢都要和SPP匹配♦♦国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班在粗糙的表面，LSP和SPP的频率接近LSP振荡可以激励SPP，SPP也可以激发LSPLSP和SPP可以相互转换LSP和SPP之间能量的转换，对于SPP的激励起着重要作用。（因为LSP不要求波矢匹配，通过LSP来激发SPP效率更高）提高了表面结构对于SPP的散射作用LSPSPP能量转换国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班界面的表面形态对SPP的散射是SPP特性的一个重要方面，它决定了粗糙或是具有微结构金属表面的光学特性表面等离子场的散射（3）SPP被散射后转换成了光波SPP和表面微结构之间的相互作用有三种：（1）SPP被散射形成另一个方向传播的SPP-SPP的反射（2）SPP通过微结构区域后继续按照原来的传播方向传播-SPP的透射国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班表面等离子场的散射表面微结构SPP的反射SPP的透射光波far-fieldnear-field国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班表面等离子振荡的光激发对于同一频率ω，等离子振荡的波矢大于光波矢所以,对于能量的入射光子，它的波矢必须增加Δk，才能将入射光子能量“转成”表面等离子振荡ωh为了用p-polarized入射光在金属和介质的界面上激励起SPP波，需要满足频率匹配、波数匹配两个条件2/1111)])(/()()[/(sin)/(εωεωεεωθωε+=mmcc入射光在金属平面上的分量要等于SPP的波数：国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班表面等离子振荡的光激发spxkkc=Δ±0sinθωθ0ckω=kspΔkxxk国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班表面等离子振荡的光激发excitationbyevanescentfieldKretschmann结构棱镜金属入射光SPP国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班表面等离子振荡的光激发在折射率较大的物质中，波数会增大。在某一个角度，棱镜中光波的水平方向分量和空气-金属界面上SPP的波矢相同时，光场和SPP场通过隧穿效应发生共振，产生能量的转换θεωsinprismspck=(3-33)国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班满足这一条件时，可以观察到在金属和棱镜的界面的反射率有一个极小值，这时光场和SPP之间的耦合效率可接近100%。由于SPP的能量集中在表面，比起入射光的能量密度可以高2-3个数量级。耦合效率会随着金属膜的厚度的变化而变化，存在最