（光学工程专业论文）含色散特异材料结构的光传播特性研究.pdf

摘要 含色散特异材料结构的光传播特性研究 专业：光学工程 博士生：王同标 导师：汪河洲教授 摘要 特异材料是指一切自然界中不存在的人工设计的具有某些奇特性质的材料， 主要包括介电常数与磁导率皆为负值的负折射率材料以及两者之一为负值的单 负材料。由于其展现出的新奇电磁特性，特异材料在2 0 0 3 年被美国“s c i e n c e 杂志评为十大科学进展之一。表面等离子体是指在金属与介质界面处传播的一种 电磁模式，由于具有增强透射、克服传统光学中的衍射极限等诸多优点，表面等 离子可以作为新的信息和能量的传播载体，是目前光学及材料学领域的研究热点 问题。表面等离子体赖于传播的金属纳米结构也是种新的特异材料，这些金属 纳米结构对于制作微型化光学器件和集成光子回路具有重要的应用价值。 本论文通过理论分析和数值计算，详细研究了由特异材料组成的一维多层结 构和金属纳米结构中的光学及光传播特性，具体研究成果如下： ( 1 ) 从理论上证明了由两类色散特异材料组成的一维光子晶体具有完全带 隙，这种完全带隙来源于单负材料中倏逝波的隧穿相互作用，它与由前行波和后 行波的相互作用形成的b r a g g 带隙具有完全不同的性质。并且在此工作的基础 摘要 上，从理论上证明了由两类特异材料和一类普通材料组成的一维光子晶体同时具 有倏逝波隧穿完全带隙和b r a g g 完全带隙。 ( 2 ) 系统地研究了含有c a p 层的由两类色散特异材料组成的半无限一维光子 晶体的表面模，详细讨论了各种结构参数和物理参数对表面模的影响。在这种光 子晶体结构中发现两种新的表面模，一种表面模的电场在光子晶体的第一个周期 内形成由于材料色散造成的共振；当c a p 层和光子晶体的元胞具有相同的厚度 时，另一种表面模的电场可以在c a p 层内形成共振。 ( 3 ) 研究了电磁波在两类单负材料组成的一维光子晶体耦合微腔结构中的传 播特性，从理论上证明了仅用一种类型的微腔便可得到两个微带，对微腔的厚度 进行适当的调制后，两个微带会转变为两个w a n n i c r - s t a r k 梯。通过数值模拟发 现在完全由单负材料中组成的一维多层结构中，由于倏逝波的隧穿作用形成的传 播模式可以产生b l o c h 振荡和z o n e r 隧穿。 ( 4 ) 提出了一种基于环形共振器的二维金属纳米波导结构，研究了表面等离 子体在这种结构中的传输特性，发现在透射谱中存在几种不同模式的透射峰，并 且随着环半径的增加，透射峰会向长波长方向移动，并对几中典型波长的场分布 进行了f d t d 模拟，指出了透射峰形成的原因。从理论上计算了这种结构的本征 波长，理论计算结果与f d t d 模拟结果符合的很好。 关键词：光子晶体、特异材料、表面模、表面等离子体 i l a b s t r a c t r e s e a r c h0 no p t i c a lp r o p a g a t i o nc h a r a c t e n s t | c si nt h e 1 一 o s t r u c t u r e sc o n t a i n i n gm e t a m a t e r i a l s m a j o r ：o p t i c a le n g i n e e r i n g a u t h o r ：t o n g b i a ow a n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rh e z h o uw a n g a b s t r a c t m e t a m a t e r i a l sa r en e wt y p eo fa r t i f i c i a lc o m p o s i t em a t e r i a l sw h i c ha r en o te x i s t i nn a t u r e t h e ym a i n l yc o n t a i nn e g a t i v er e f r a c t i o ni n d e xm a t e r i a l sw i t hb o t hn e g a t i v e p e r m i t t i v i t y a n dp e r m e a b i l i t y , a n d s i n g l en e g a t i v em a t e r i a l sw i t he i t h e rn e g a t i v e p e r m i t t i v i t y o r p e r m e a b i l i t y d u e t ot h e i rn o v e l e l e c t r o m a g n e t i cp r o p e r t i e s ， m e t a m a t e r i a l sw e r es e l e c t e da so n eo ft h et o pt e na d v a n c e si ns c i e n c eb y s c i e n c e m a g a z i n ei n2 0 0 3 s u r f a c ep l a s m o np o l a r i t o n s ( s p p s ) a r ce l e c t r o m a g n e t i cs u r f a c e w a v e st h a tt r a v e la l o n gt h ei n t e r f a c eb e t w e e nm e t a la n dd i e l e c t r i c b e c a u s eo fh a v i n g a d v a n t a g e si ne n h a n c i n gt h et r a n s m i s s i o na n do v e r c o m i n gt h ed i f f r a c t i o nl i m i ti n c o n v e n t i o n a lo p t i c s ，s p p sh a v eb e e nc o n s i d e r e da se n e r g ya n di n f o r m a t i o nc a r r i e si n n a n o s c a l eo p t i c s s p p sh a v eb e c o m eas u b j e c to fg r e a ti n t e r e s t si no p t i c sa n dm a t e r i a l s r e c e n t l y n a n o s c a l em e t a ls t r u c t u r e sw h i c ha r eu s e dt og u i d es p p sa r ea l s on e wt y p e o fm e t a m a t e r i a l s ，t h e yh a v ei m p o r t a n ta p p l i c a t i o n si nf a b r i c a t i n gm i n i a t u r i z e do p t i c a l i i l a b s t r a ( 了r d e v i c e sa n di n t e g r a t e dc i r c u i t s t h es u m m a r i z e dr e s u l t sa r el i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) c o m p l e t eb a n dg a p sa r et h e o r e t i c a l l yf o u n di n o n e - d i m e n s i o n a lp h o t o n i c c r y s t a l sc o m p o s e do ft w ot y p e so fd i s p e r s i v em e t a m a t e r i a l s t h em e c h a n i s mo ft h e s e c o m p l e t eb a n dg a p s ，u n l i k et h eb r a g gc o m p l e t eg a p sf o r m e db yi n t e r f e r e n c e so f f o r w a r d b a c k w a r dp r o p a g a t i n gw a v e s ，o r i g i n a t ef r o mt h ee v a n e s c e n tw a v e st u n n e l i n g i nt h es i n g l e - n e g a t i v em a t e r i a l si sr e s e a r c h e di nd e t a i l m o r e o v e r , i ti sa l s os t u d i e dt h a t b o t hb r a g gc o m p l e t eg a p sa n de v a n e s c e n tw a v et u n n e l i n gc o m p l e t eg a p se x i s ti na t h r e e c o n s t i t u e n to n e d i m e n s i o n a lp h o t o n i cs t r u c t u r es i m u l t a n e o u s l y ( 2 ) w es t u d yt h ee l e c t r o m a g n e t i cs u r f a c em o d e ss u p p o r t e db yt h ei n t e r f a c e b e t w e e ns e m i - - i n f i n i t eo n e d i m e n s i o n a lp h o t o n i cc r y s t a l sc o m p o s e do fd i s p e r s i v e m e t a m a t e r i a l sa n dh o m o g e n e o u sm e d i u mi nt h ep r e s e n c eo ft h ec a pl a y e r t h e i n f l u e n c e so fp h y s i c a lp a r a m e t e r so ft h es t r u c t u r eo nt h es u r f a c em o d e sh a v eb e e n i n v e s t i g a t e d an e wt y p eo fs u r f a c em o d e sa r ef o u n di ns u c hs t r u c t u r ea n dt h e s e s u r f a c em o d e sc a ne x h i b i ts t r o n gr e s o n a n c ea tt h ef i r s tp e r i o do ft h ep h o t o n i cc r y s t a l t h e s er e s o n a n ts u r f a c em o d e so r i g i n a t ef r o mt h em a t e r i a ld i s p e r s i o n a n o t h e rt y p eo f s u r f a c em o d e sw i t hs t r u c t u r a lr e s o n a n c ec a na p p e a ri nt h et h i c kc a pl a y e r ( 3 ) w es t u d y t h e p r o p a g a t i n gp r o p e r t i e s o fe l e c t r o m a g n e t i cw a v e si n o n e d i m e n s i o n a lp h o t o n i cc r y s t a lc o u p l e dm i c r o c a v i t ys t r u c t u r ew h i c hi sc o m p o s e do f t w ot y p e so fs i n g l e - n e g a t i v em a t e r i a l s t w om i n i b a n d sc a nb eo b t a i n e db ye m p l o y i n g o n l yo n et y p em i c r o c a v i t y , t h em i n i b a n d sc h a n g et ow a n n i e r - s t a r kl a d d e r sw h e nt h e w i d t ho ft h ec a v i t i e sa r em o d u l a t e d w ed e m o n s t r a t e dt h a te v e ni nt h i sm u l t i l a y e r e d s t r u c t u r ec o m p l e t e l ym a d eo fs i n g l e n e g a t i v em a t e r i a l s ，t h eo p t i c a lb l o c ho s c i l l a t i o n s a n dz e n e rt u n n e l i n gc a na l s ob ea t t a i n e d ( 4 ) at w o d i m e n s i o n a l n a n o s c a l es t r u c t u r ew h i c h c o n s i s t so ft w o m e t a l i n s u l a t o r - m e t a lw a v e g u i d e sc o u p l e dt oe a c ho t h e rb yar i n gr e s o n a t o ri s p r o p o s e d t h et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs u r f a c ep l a s m o np o l a r i t o n sa r es t u d i e d i nt h i ss t r u c t u r e t h e r ea r es e v e r a lt y p e so fm o d e si nt h et r a n s m i s s i o ns p e c t r u m t h e s e m o d e se x h i b i tr e ds h i f tw h e nt h er a d i u so ft h er i n gi n c r e a s e s t h ef i e l d so fs e v e r a l i v a b s t r a ( t t y p i c a lw a v e l e n g t h sa r es i m u l a t e db yt h ef i n i t e d i f f e r e n c et i m e - d o m a i n ( f d t d ) m e t h o d t h e f o r m i n g r e a s o no ft h et r a n s m i s s i o n p e a k s i s e x p l a i n e d t h e e i g n w a v e l e n g t h so ft h er i n gr e s o n a t o ra r ec a l c u l a t e dt h e o r e t i c a l l y r e s u l t so b t a i n e db y t h et h e o r yo ft h er i n gr e s o n a t o ra r ec o n s i s t e n tw i t ht h o s ef r o mt h ef d t ds i m u l a t i o n s k e y w o r d s ：p h o t o n i cc r y s t a l s ，m e t a m a t e r i a l s ，s u r f a c em o d e ，s u r f a c ep l a s m o n p o l a r i t o n s v 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：而司彳 日期：p 挥6 月日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：砌勺乖易 刷谧锄呢貌- - j 矿 o 。 v 日期：夕9 哞月7 日o 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指导下完成 的成果，该成果属于中山大学物理科学与工程技术学院，受国家知识 产权法保护。在学期间与毕业后以任何形式公开发表论文或申请专 利，均须由导师作为通讯联系人，未经导师的书面许可，本人不得以 任何方式，以任何其他单位做全部或局部署名公布学位论文成果。本 人意识到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：功目粕 日期：为p 年石月e t 第一章绪论 第一章绪论 1 1 光子晶体的概念和特性 1 1 1 光子带隙 半导体科学和技术的发展对人类的进步起着举足轻重的作用，从第一台电子 管计算机诞生起，随后出现的晶体管、集成电路、大规模集成电路，到现在的超 大规模集成电路，半导体在人类历史上扮演着越来越重要的角色。然而由于作为 信息载体的电子具有先天性缺陷，它们之间的相互作用会产生大量的热，这就大 大制约了半导体技术的进一步发展。相对于电子，光子具有传输速度快等优点， 如果能有一种材料可以像半导体控制电子的运动一样，可以方便的控制光子的运 动，就可以用这种材料取代半导体，用光子取代电子作为信息的载体，这将会使 计算机及半导体产业的发展产生飞跃。光子晶体就是在这样一个时代背景下走上 了历史舞台。 1 9 8 7 年，e y a b l o n o v i t c h 1 和s j o h n 2 分别在讨论抑制自发辐射和无序介 质材料中的光子局域化问题时各自独立提出“光子晶体”这一概念。固体物理研 究表明，晶体中周期性排列的原子产生周期性势场，电子在周期势场中运动时会 受到b r a g g 散射形成能带结构，带与带之间可能存在带隙。电子的能量如果落在 带隙中，传播是被禁止的。其实，不管任何波，只要受到周期性调制，都具有能 带结构，也都有可能出现带隙，能量落在带隙中的波是不能传播的，电磁波或者 光波也不会例外。如果将具有不同介电常数的介电材料构成周期性结构【3 】，由 于b r a g g 散射，电磁波在其中传播时会受到调制而形成能带结构，这种能带结构 叫做光子能带( p h o t o n i cb a n d ) 。光子能带之间可能出现带隙，即光子带隙( p h o t o n i c b a n dg a p ，简称p b g ) 。具有光千带隙的周期性介电结构就是光了晶体( p h o c o n i c c r y s t a l s ) ，或叫做光了带隙材料。舣掘不同方向的周期结构特征，可以分为维 光予晶体、维j 匕r 晶体和二维光f 品体。绝人多数光子品体都是人工改制造 出来的，但是自然界也存在光r 品体的例子，如萤r 丁石、蝴蝶翅膀、吉丁虫的身 体表面等。 具有光了带f | 是咒r 晶体鳗基本的特祉，频率蒋存光子带隙内的光是被禁止 传播的，光子带隙的出现依赖于光f 品体的结构和介电常数的配比。一般醴束， 光子晶体中两种介质的介 u 常数比越大，入射光越容易被强烈散射，就越打可能 出现光子带隙，h 时，光了带隙的出现与光波的入射方向有父。光子特隙可咀分 为两种：一种是部分带隙，即此在菜些特定的方向足被禁止传播的，而在另外一 砦方向上是能够传播的：另种魁完全带隙，即光在整个空| l j j 的所有方向都皱禁 j l 传播。1 9 9 0 年，kmh o 等人首次从理论r 提出具有台刚石结构的光子品体 能够形成三维完全带隙【4 】，如例1 - l ( a ) 所示。1 9 9 1 年，y a b l o n o v i t c h 采用精密机 械加工技术制作出第个带隙在1 5 g h z 的三维光予晶体【5 】如图1 - 1 ( b ) 所示。 接着，光子晶体的工作波段不断向高频推进，到e l 前为止， 们利用精细加工方 法和胶体溶液的自组织生睦技术，成功制备了远“外、红外和a r 见光波段的三维 光子晶体 6 1 0 】。 b 瀚一 r ：= j 圈1 - 1 ( a ) 会刚右结构的三维光子一晶体的能带；( b ) 第一个_ = f f ! 光了出体y a b l o n o v i t e 除丁会刚石结构外，越束越多的= 维结构被发现j 仃完仝带隙。1 9 9 4 年， kmh o 等人乖jhs s o z t i e r ，j i l d o w l i n g 义再f ；拙0 救眦丁小坷b 引t f j _ i 的。维 第一章绪论 光子晶体在红外波段具有完全带隙 1 1 ，1 2 1 ；j wh a u s 等人 1 3 1 重新研究了面心 立方结构并发现了在高频范围可以存在完全带隙；随后在类金刚石结构中也被发 现具有完全带隙【1 4 - 1 7 】；2 0 0 1 年y a v l a s o v 等人首次制作了具有完全带隙的反 蛋白石结构的光子晶体【1 8 】；s yu u 等) k 1 9 1 还发现由双轴介质球组成的简单立 方结构也具有完全带隙。 1 1 2 光子晶体的应用及研究进展 在半导体中引入缺陷或无序，对电子来说将会出现电子局域态或a n d e r s o n 局域化。对于电磁波在光子晶体中传播来说，光子的局域化也应该是存在的，在 光子晶体中引入缺陷后，会在光子带隙中出现局域模式，称为缺陷模 2 0 ，2 1 ， 与缺陷模共振的光可以隧穿通过光子晶体。不同结构的光子晶体可以在多个方面 实现对光的控制，也使得它有许多重要的应用，例如，光子晶体微腔 2 2 2 4 、光 子晶体光纤 2 5 2 7 、光子晶体天线 2 8 3 1 1 、光子晶体波导 3 2 ，3 3 1 、光子晶体滤 波器3 4 3 7 1 等。除了具有光子带隙和缺陷模以外，人们发现一些特殊的光子晶体 具有异常色散性质 3 8 6 1 1 。利用光子晶体的异常色散性质还可以实现超棱镜 【3 8 4 3 、负折射 4 4 5 6 1 、亚波长成像 5 3 - 5 6 1 和自准n 5 7 - 6 1 1 等。 尽管对于光子晶体的研究已经有二十多年了，但是光子晶体仍然是一个热门 的研究课题，由于其具有多种新奇的性质，使得它可以应用到许多其他物理学领 域，这里简单介绍一下最近几年有关光子晶体的一些重要成果。2 0 0 6 年，z l i u 等人在三维简立方光子晶体中从实验上观察到了微波波段的自准直【6 1 】。一个很 小的双层光子晶体平板腔会在很宽的空间范围内具有很高的q 值，可以用来研 究光力学耦合f 6 2 】，这种系统可以在光学能量和力学能量之间实现很高的能量转 换效率。x z h a n g 首次通过计算发现了二维光子晶体d i r a c 点附近的光子的 z i t t e r b e w e g u n g 6 3 。文献 6 4 1 报道了从实验上观察到的非线性光子晶体波导中的 非线性c e r e n k o v 辐射。由于可以跟芯片集成，可以在常温下工作，并且具有很 宽的带宽和无色散传播，光子晶体波导中的慢光效应也被广泛的研究【6 5 6 8 1 。 m vr y b i n 等人还在蛋白石结构的光子晶体中观察n t 米氏散射和窄b r a g g 带 之间的f a n o 共振 6 9 】。 3 第一章绪论 1 2 特异材料的发展历史和研究进展 1 2 1 特异材料的概念及发展历史 彳咖 0 和p ，0 时，材料的折射率h = 掣为一值，这是自然界中最常见的普通材料， 称为一折射牢材料( p o s i t i v e - i n d e xm a t e r i a l s p i m ) _ = 这类材料l j t t jj 。l 乜磁场的 第一章绪论 电矢量e 、磁矢量h 和波矢k 成右手正交关系，这类材料又叫做右手材料 ( r i g h t h a n d e dm a t e r i a l s ，r h m ) ；当 o 和 0 和t o ，相速度为= 1 厨 o ，群速度v 譬= 1 瓦百 o ，可以 看出相速度与群速度的方向是一致的，这代表的是普通材料。 8 第一章绪论 图1 - 6 ( b ) 是由并联的电感和串联的电容构成的传输线模型，在这种模型中传 播常数一一1 q q o ， 相速度 = - a 1 2 e q 0 ，可以看出群速度与相速度是反向 的，这种传输线模型代表双负材料，又称为左手传输线。它的等效介电常数和等 效磁导率分别为s ) 。- l l ( o j ll ) 和弘 ) = 一l ( r a 2 c 工) 。 图1 - 6 ( c ) 是全部由电感构成的传输线模型，单位长度上的串联电感和并联电 感分别为和q 。这种模型的传播常数卢t f 佤丘是一个纯虚数，代表e n g 材料，它的等效介电常数和等效磁导率分别为f ；一i i ( a , r 0 2 e ) 和t = i ( a ：磁) 。 图1 6 ( d ) 是全部由电容构成的传输线模型，单位长度上的串联电容和并联电 容分别为q 和c 二。这种模型的传播常数一f q 也是一个纯虚数，代表 m n g 材料，它的等效介电常数和等效磁导率分别为占t1 似) 和 j c l 。- 1 ( , 4 2 0 , 2 q ) 。 1 2 3 特异材料的研究进展 自从第一块特异材料问世以来，近十年涌现出了大量的特异材料，到目前为 止，特异材料的频率响应范围已经从微波波段扩展到可见光波段。2 0 0 5 年，首 次制作了并从实验上观察到横向金属介质金属多层结构在2 微米附近具有负折 射率，这也是首次在近红外波段发现负折射现象f 8 1 1 。2 0 0 6 年，gd o l l i n g 等人 通过将银材料制作的鱼网结构微型化，在7 8 0 n m 波长实现了0 6 的折射率 8 2 ， 8 3 ，但是这种材料只是实现了负的介电常数，而磁导率仍为正值，由于高损耗 的存在才使得它出现负的折射率。2 0 0 8 年，n a t u r e 报道了一种三维光学负折射 特异材料【8 4 】，这种特异材料由叠在一起的鱼网状结构制成，在很宽的频率范围 内具有负折射率，其品质因子高达3 5 。2 0 0 9 年，从实验上证实了一种手性特异 材料可以在太赫兹频率表现为负折射率1 8 5 1 。在同年，文献1 8 6 报道了在鱼网 结构的特异材料中存在二阶磁共振，这可以使得材料的介电常数和磁导率在可见 9 第一章绪论 光范围同时为负值。2 0 0 9 年底，s x i a o 等人报道了通过进一步将银材料制作的 鱼网状结构微小化，在5 8 0 n m 波长( 黄光波段) 得到了实部为0 2 5 负折射率【8 7 】， 然而这种材料也没有使得介电常数和磁导率同时为负值。现在，人们已经从实验 上观察到了负材料中的逆向c h e r e n k o v 辐射 8 8 ，8 9 ，随着特异材料制作技术的发 展，相信将会有越来越多的新奇物理学现象被发现和得到实验证实。 把特异材料引入到光子晶体结构中，由于特异材料可以具有正、负、零折射 率，将会使得光子晶体的性质更加丰富，同时产生很多新奇的物理学和光学现象 【9 0 9 7 。j u 等人发现由正负折射率材料交替排列组成的一维光子晶体在平均折 射率为零处会出现一个带隙，称为零平均折射率带隙【9 0 】。h t j i a n g 等人发现 零平均折射率带隙不受光入射角度的影响，这种带隙及其缺陷模都具有全角特性 【9 1 。i gw a n g 等研究了含有负折射率材料的一维光子晶体中的多种物理现象， 如：k r e t s c h m a n n r a e t h e r 结构中的负侧向位移1 9 2 ，9 3 1 ，负h a r t m a n n 效应【9 4 】， 负g o o s h i n c h e n 位移 9 5 】，以及折射率由负到正渐变的双锥形结构中的光学 d i r a c 点【9 6 】。我们小组的yh c h e n 发现含有单负材料缺陷的一维光子晶体中存 在一种孪生缺陷模 9 7 1 。 1 3 表面等离子体 1 3 1 表面等离子体的发展历史 表面等离子体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 的沿金属表面传播的电子疏密波。关于表面等离子体的研究最早可以追溯n - - 十 世纪初，1 9 0 2 年，r w w o o d 在测量金属栅的光学反射时发现了一些意想不到 的现象【9 8 】；1 9 0 4 年，m g a r n e t t 采用金属的d r u d e 模型描述了观察到的金属掺 杂玻璃中的亮彩色 9 9 1 ；1 9 0 8 年，gm i e 提出了著名的球形粒子的光散射理论 【1 0 0 ；1 9 5 6 年，d p i n e s 从理论上描述了高速运动的电子通过金属薄膜时的能量 损耗特性1 1 0 1 ，并把损耗归因于金属中自由电子的集体振荡 1 0 1 1 ，类比于以前 发现的气体放电中的等离子体振荡，他把这种振荡称为等离激元。同年，r f a n o 引入极化子的概念来描述透明介质中的束缚电子与光的耦合振荡 1 0 2 1 。r h 1 0 第一章绪论 r i t c h i e 在1 9 5 7 年发表了电子通过金属薄膜时的能量损耗的研究成果，证明了等 离激元模式可以在金属表面处存在【1 0 3 】，这也是第一次关于表面等离激元的理 论描述；1 9 6 8 年，距离w o o d 的研究己经快七十年了，r i t c h i e 等人从由金属栅 激发的表面等离激元方面描述了w o o d 观察的异常现象【1 0 卅；同一年，表面等离 子体研究取得比较大进展，a o t t o 1 0 5 1 以及e k r e l s e h m a n n 和hr a e t h e r 1 0 6 提出了用光在金届薄膜表面激发表面等离子体的方法，使得众多研究人员可以方 便地对表面等离子体进行实验研究。然而，此后的几十年对表面等离子体的研究 只有一些零星的成果，并没有引起人们的广泛关注。直到1 9 9 8 年，t 砒e b b s e n 在研究光通过亚波长金属孔时，发现会存在异常透射，这种异常透射正是由表面 等离子体引起1 拘 1 0 7 1 ，表面等离子体迅速成为一个国际研究热点问题。 1 3 2 表面等离体子产生的原理及性质 兮 p w a v e v e c t o r ( “m ) 图1 - 7 表面等离子体在金属与介质界面的色散关系。 考虑两种无限大、各向同性的介质紧密捧列在一起，介质的介电常数为正实 数，金属的介电函数实部为负数。根据m a x w e l l 方程，结合边界条件，可以得到 界面处表面等离子体的色散关系f 1 如4 s 2 一o ，y ? e t 2 一e i o ) , 2 c 2 ，f ，和e 2 分别 是介质和金属的介电函数，t 是波数，o 是入射光频率，如图1 - 7 所示。金属的 莉带绪睦 介电函数采坩d m d em o d e l 岛屯【1 _ 0 一m ：! + i r o , ) j ，其中- 9 6 ， h o 。= 37 6 e v 。y 表示会属的损耗，它是个小量，在汁算色散关系时可阻忽略。 表面等离子体具有以下的性质： ( 1 ) 表面等离子体的场分靠沿着界面方向是高度局域的，且在金属中场分布 比在介质中业集l | ，一般分巾深度t j 波k 量级相州。 ( 2 ) 在平行于金属与介质的界面方向，表面等离子体是传播的，在垂直于金 属与介质的界面方向，场是指数衰减的；由于金属损耗的存在，传播中能量不断 衰减，表面等离子体的传播距离是有限的。 ( 3 ) 表面等离子体只会存在于t m 偏振，t e 偏振没有表面等离子体渡；其 色散曲线在光线的右侧，其波矢量比光波矢量翌大，所以通常情况下台属与介质 的表面并不能直接激发出表面等离子体波。 1 3 3 表面等离体子的激发方式 图卜8c a ) k r e t s c h m a n n 和( b ) o t t o 激发方式示意罔。 由j ：在一般情况下，表面等离f 体波的波矢量犬于光波的波矢量，所以不可 能直接用光波激发出表面等离f 体波。如图1 7 所示，h 有往空气的光线与棱镜 的光线之川的那些模式才可以被激发，为了能够檄励表面等离子体波，需要引入 一此特殊的结构达到波父匹配，常用的结构有以下几种： -拿 第一章绪论 ( 1 ) 采用棱镜耦合的方式，棱镜耦合的方式包括两种，如图1 8 所示。一种 是k r e t s c h m a n n 结构1 1 0 6 1 ，金属薄膜直接镀在棱镜面上，入射光在金属棱镜界 面处会发生全反射，全反射的倏逝波可以实现与表面等离子体波的波矢匹配，光 的能量便能有效的传递给表面等离子体，从而激发表面等离子体波，这是目前广 泛用于表面等到离子体的科研与生产的一种结构。另一种是o t t o 结构 1 0 5 1 ，具 有高折射率的棱镜和金属之问存在狭缝，狭缝的宽度比较小，大约几十到几百纳 米，这样使用起来比较不方便，所以只在科研过程中偶尔用到。 ( 2 ) 衍射光栅结构，利用光栅引入一个额外的波矢量增量实现波矢的匹配， 这是目前研究的热点和重点。常用的光栅主要是一维光栅、二维光栅以及孔阵列 和金属颗粒阵列，由于光栅结构的材料参数与几何参数都可以自己选定，可供研 究的内容很丰富。这种结构一方面能够激发表面等离子体波，另一方面二维光栅 结构中能够引入能带，从而使得表面波的特性受到能带的影响，使得器件的参数 更加可控。 ( 3 ) 采用强聚焦光束，利用高数值孔径的显微目镜直接接触到介质层，在介 质层与目镜之间涂上匹配油层，高数值孔径能够提供足够大的入射角，能够实现 波矢匹配，从而激发出表面等离子体波。 ( 采用近场激发，用一个尺寸小于波长