（光学工程专业论文）基于表面等离子激元的金属薄膜微结构的研究.pdf

浙江大学硕士论文 1 1 课题背景 第一章绪论 1 9 0 2 年，w o o d t l l 等人观测到入射光波照射到金属光栅上时引起反常衍射现象， 意识到表面等离子体波的存在，进而发现了表面等离子体共振的电磁效应现象。1 9 4 1 年，f a n o t 2 1 根据表面电磁波在金属和空气界面上的激发解释了这一现象。而表面等离 子体激元( 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 ) 作为表面科学的一个领域是从五十年代 r i t c h i e t 3 1 的工作开始的，1 9 5 7 年，他注意到，当高能电子通过金属薄片时，不仅在体 等离子体频率处有能量损失峰，而且在更低频率处也有能量损失峰，他认为这与金属 薄膜的界面有关，第一次提出了“金属等离子体”的概念来描述金属内部体积电子密度 的一种纵向波动。2 年后，p o w e l l 和s w a n l 4 - 6 的电子能量损失实验证实了r i t c h i e 的理 论。1 9 6 0 年，s t e m 和f a r r e l l t 7 1 对此种模式产生谐振的条件进行了研究，并首次提出 了表面等离子体( s u r f a c ep l a s m o n s p ) 的概念。r a e t h e r _ 【8 】对表面等离子体共振( s u r f a c e p l a s m o nr e s o n a n c e ，s p r ) 在不同类型的表面上的特性进行了详细的描述。在可见光波 范围，表面等离子波( s u r f a c ep l a s m aw a v e ，s p w ) 的波矢一般都大于真空中光波的波 矢，所以s p w 波不能直接与真空中的光波耦合。2 0 世纪六七十年代，德国物理学家 o t t o t 9 1 和k r e t s c h m a n n t l 0 1 分别提出了衰减全反射法( a r e n u a t e dt o t a lr e f l e c t ，a t r ) ，即 利用全反射时产生的倏倏逝波( e a n e s c e n t w a v e ) 与s p w 波耦合的方法。 1 9 9 8 年e b b e s e n t l l l 领导的课题组在( ( n a t u r e ) ) 上发表的一篇文章指出，在金属膜中 由亚波长尺寸的圆孔构成的二维阵列结构可以实现可见光和红外波段的超常透射。从 此，金属基薄膜微结构开始受到人们的重视。 他们在石英基板上蒸镀一层厚度= 2 0 0 m 的银膜，用聚焦离子束在银膜上直接 制备出二维的圆孔阵列结构，如图1 1 所示，单个微孔的直径为d = 1 5 0 n m ，采用方形 阵列，周期为a 0 = 9 0 0 n m 。图中1 1 ( b ) 是该结构的零级透射谱，显示有三个明显的透 射峰，波长3 2 6 n m 是银材料本身的等离子激元的峰值波长( 单层a g 膜在此处透射率 会出现一个极大值) ，该波长处的透射峰会随着银膜厚度的增加逐渐消失。我们更关 心长波处的透射峰，也就是1 0 5 0 n m ( 接近于a 0 ) 和1 3 7 0 r 吼( 略大于口o 石，占。6 是石英 浙江大学硕士论文 基底的介电常数) ，两处波长都已远远超过单个圆孔的直径，令人吃惊的是1 3 7 0 r i m 处 的基于面积归一化的透过率又称绝对透过率( a o 透过的光能量占总入射光能量的比例 除以圆孔阵列所占整个照射面面积的比例) 大于2 ，也就是说2 倍于入射到圆孔阵列上 的光能透过了该结构。作者指出这种透射增强现象源自入射光与亚波长圆孔阵列的表 面等离子激元的相互耦合有关。 ( a )( b ) 图1 i 银膜上的圆孔阵列( a ) 二维阵列结构；( b ) 基于面积归一化的透射瞌线 2 0 0 0 年，p e n d r y t l 2 】提出银膜微结构可实现亚波长成象。2 0 0 2 年，l e z e c 1 3 】等提出 牛眼光栅结构，它是在亚波长圆孔的外围套以同心的周期性的环形凹槽，出现了奇异 的光束集束现象，进而引发了针对该效应机理f 1 恸】和相关应用 2 7 - 4 1 】的充分关注和广泛 研究，主要是以亚波长金属微纳结构为依托，研究由于表面等离子体的激发而表现的 新效应1 4 2 - 4 8 1 、对光场行为地调控、实现新颖的功能。 1 2 表面等离子体及基本特征 表面等离子体激元就是局域在金属表面的一种由自由电子和光子相互作用形成 的激发态倏逝波。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。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s p p s 。表面等离子体激元的电磁场局限于介质表面，依靠改变导体表面的性质， 可以改变表面等离子体激元的性质，这就为研制新型的光子学器件提供了的途径。同 时，s p p s 理论在亚波长领域的应用解释了很多传统光学难以解释的问题。近年来， 随着扫描近场光学显微技术( s c a n n i n gn e a r - f i e l do p t i c a lm i c r o s c o p y ，s n o m ) 的发展， 使直接在材料表面观测s p p s 变为可能，这极大促进了表面激元的研究。 2 蒽西翟墨螽蓦鼬i 浙江大学硕士论文 作为当前非常前沿和热门的研究领域，以亚波长金属微结构为主体的表面等离子 体亚波长光学，主要是利用其在光学中电磁波通过金属微结构可超衍射传输和微纳米 尺度上能量局域汇聚放大等特征。 1 3 表面等离子体波的应用 随着s p p s 及s p w ( s u r f a c ep l a s m o nw a v e ) t 里论研究的深入以及各种结构的器件的 成功制作，其在光学各领域应用具有巨大的潜力，尤其在解决了一些经典光学长期不 能解决的问题，其中包括金属亚波长结构的增透效应在超分辨率纳米光刻【2 7 - 3 0 1 、高密 度数据存储【3 3 1 、近场光掣4 1 l 等领域的应用大放光彩。 1 3 1 表面等离子体在光刻中的应用 在光刻技术中，由于存在衍射极限，无法用普通的掩模在可见光波段曝光得到微 小的结构，在实际工艺中，为了克服衍射极限，一般采用移相掩模技术、离轴照明技 术、邻近效应矫正等技术。但实现的工艺都比较复杂。支持s p p s 的金属掩榭2 7 】就可以 很容易的克服衍射极限，达到亚波长分辨率。 1 3 2f s l 当一个物体被照射时，其关于形状细节的高频信息将包含在一个衰减波内，它衰 减得很快，以至于在远场时将观查不到其细节的信息。利用f s l ( f a r f i e l do p t i c a l s u p e r l e n s l 4 1 1 机制，当倏逝波通过一个特制的金属层时，由于亚波长结构的表面等离 子的耦合共振激发，将在后面继续传播下去。再通过探测器探测，获得被观测物的细 节信息。 这种方法提高了点对点成像技术。但是不是一个严格意义上的远场成像系统，因 为亚波长的金属层仍然需要在被观测物体的近场范围内。图1 - 2 ( b ) q b 由于衍射极限的 限制，光学显微镜是不能分辨这两根纳米线的。而加上f s l 后，图1 - 2 ( c ) 为观测到的 结果。利用了f s l 使倏逝波增强后，能够得到清晰的像。 浙江大学硕士论文 i 攀! i 洲。豢i i ? l i _ ( b ) ( c ) 图1 - 2 两个直径为5 0 n m 、间隔距离为7 0 n m 的纳米线( a ) s e m 观察结果； ( b ) 光学显微镜直接观察的结果；( c ) 加上f s l 后观测到的结果 1 3 3 负折射及成像器件 利用银膜可以实现负折射【1 2 l ，并进一步实现成像1 4 9 5 1 1 ，如图1 3 所示，其中特点有： 负折射率材料与周围介质折射率匹配，表面没有反射；物像之间的距离是透镜厚度的 两倍；透镜没有光轴，为平板成像；突破衍射极限，实现超分辨成像。 翻翻畿溢 ( a )( b ) 图1 - 3 利用银膜实现负折射及成像( a ) 负折射成像；( b ) 负折射成像示意图 通过金属表面的纳米尺度亚波长结构调制，就能对沿表面传播的波场进行控制， 4 浙江大学硕士论文 尤其是控制它与光的相互作用，由于s p p s 可通过结构亚波长纳米结构而存在于可调 节尺度范围内，可用亚波长纳米结构来汇聚和导引光波，这就可能制造出线度远小于 当前产品的微纳光路，因而在未来的纳米光子器件、纳米芯片光电集成等纳米光子学 领域具有巨大的应用潜力。同时有效激发s p p s 的金属微结构光子器件不仅能够改善 传统器件的性能，而且会产生一些新奇的物理现象以及实现新的器件功能，在微纳光 子学、生物医学、信息等领域具有巨大的应用潜力。 1 4 本论文的研究内容以及创新点 通过本论文的研究，希望能够探索表面等离子体亚波长光学的新效应、新技术、 新应用，为纳米光子器件及超高密度光集成提供新颖、可行的思路及方案，同时也拓 展丰富光学学科的内容、拓展表面等离子体效应在超分辨成像、高灵敏探测识别等相 关领域的应用。 本论文的主要研究内容为： 第一章是国内外研究工作现状和趋势简述，在目前研究工作的基础上，提出了本 课题的研究内容和目标。 第二章介绍了金属内的自由电子等离子振荡，进而考虑金属表面的自由电子振 荡，分析了表面等离子波( s p w ) 产生的原因，给出了s p w 的固有谐振频率。从s p p s 共振耦合激发时的传播深度与传播距离阐述了选择器件材料的原则，分析了s p p s 的 色散关系，并介绍了目前产生s p w 的几种常用的方法。最后介绍偏振模式对产生s p w 耦合激发的影响。 第三章介绍了目前常用的薄膜及光栅的数值和解析解法，包括严格耦合波法、模 式法、时域有限差分方法等。以严格耦合波方法为基础，通过将光栅和薄膜作为整体 进行处理，提出了计算基于表面等离子体的金属光栅器件衍射效率的方法。而时域有 限差分法则侧重于计算衍射场的光强及能流情况，为亚波长金属薄膜器件的设计工作 提供了理论支持。 第四章在时域有限差分法应用于色散材料改进的基础上，分析了亚波长金属狭缝 内的对称模式和一阶非对称模式、一维金属薄膜亚波长细缝与对称光栅结合的各项结 构参数对s p p s 耦合激发的影响，并针对高斯光束发散及近场分布特性，提出光束集 浙江大学硕士论文 束器件的设计理论。 第五章分析了基于表面等离子体金属光栅的基本结构的零级透射率，其中包括反 射式和透射式两种结构，再探讨光栅结构的各种改进措施，深入探讨了性能及改进的 机制，利用简单的结构实现宽波段的窄带滤光片，并在实验上做了探索。 第六章本论文已完成的工作及不足之处的总结。 本论文的主要特色和创新点为： 1 从表面等离子体波( s p w ) 基本原理、不同金属材料s p p s 耦合激发的传播深度 如和传播距离三卵出发，提出了选择器件材料的标准，其中银表现出最佳的特性。 研究了金属银亚波长狭缝与光栅结构的传播特性，提出了入射面栅格凹槽数目对透射 增强的作用是有限的，而透射强度与亚波长狭缝的深度呈周期性的变化。 2 利用s p w 在亚波长金属狭缝与对称光栅的结构中的激发与耦合关系，借助 于公式推导法，获得了透射光出射角的表达式。并整合公式推导法、h e l m h o l t z 互易 定理和高斯光束本身的发散性及近场分布特性，使高斯光束器件在结构参数上缩小了 1 2 。在入射光栅与薄膜厚度参数优化的基础上，实现了波长6 3 2 1 n m 高斯光束的对 称出射及光束集束器件的设计。 3 p 偏振光入射于高占空比的透射式金属光栅时，s p w 激发和入射光会发生共 振耦合，使入射光以极高的效率选择性地透射。在倾斜入射的条件下，发现s p p s 耦 合共振引发的透射共振效应会使透射波段发生红移，且透射波段和入射角度呈良好的 线性关系，具有良好的应用前景。 参考文献 【l j l w o o d r w o nar e m a r k a b l ec a s eo fu n e v e nd i s t r i b u t i o no fl i g h ti nad i f f r a c t i o ng r a t i n g s p e c t r u m p h i l m a g m j 1 9 0 2 ，1 4 ：3 9 6 - - 4 0 2 【2 】f a n o u t h et h e o r yo fa n o m a l o u sd i f f r a c t i o ng r a t i n g sa n do fq u a s i s t a t i o n a r yw a v e so nm e t a l l i c s u r f a c e s j j o p t s o c a m 1 9 4 1 ，3 1 ( 3 ) ：2 1 3 - 2 1 7 【3 】r i t c h i e r h p l a s m al o s s e sb yf a s te l e c t r o n si nt h i nf i l m s j p h y s r e v 1 9 5 7 ，1 0 6 ：8 7 4 - 8 8 1 【4 】p o w e l l c a ，s w a n j b ，o r i g i no ft h ec h a r a c t e r i s t i ce l e c t r o ne n e r g yl o s s e si nm a g n e s i u m j p h y s r e v 1 9 5 9 ，11 6 ：8 1 - 8 3 【5 】p o w e i l c j ，s w a n j b ，o r i g i no ft h ec h a r a c t e r i s t i ce l e c t r o ne n e r g yl o s s e si na l u m i n u m j p h y s r e v 19 5 9 ，115 ：8 6 9 8 7 5 6 浙江大学硕士论文 【6 】p o w e l l c j ，s w a n j b ，e f f e c to f o x i d a t i o no nt h ec h a r a c t e r i s t i cl o s ss p e c t r ao fa l u m i n u ma n d m a g n e s i u m j p h y s r e v 19 6 0 ，l18 ：6 4 0 - 6 4 3 【7 】s t e m e a ，f e r r e l l r a s u r f a c ep l a s m ao s c i l l a t i o n so fd e g e n e r a t ee l e c t r o ng a s j p h y s r e v 1 9 6 0 ，1 2 0 ：1 3 0 - - 1 3 6 【8 】r a e t h e r h s u r f a c ep l a s m o no ns m o o t ha n dr o u g hs u r f a c ea n do ng r a t i n g s j m o d e mp h y s i c s 1 9 8 8 ，1 2 ：1 1 1 - 1 1 8 【9 】o t t o a e x c i t a t i o no fn o n r a d i a t i v es u r f a c ep l a s m o nw a v ei ns l i v e rb yt h em e t h o do f f r u s t r a t e dt 0 t a lr e f l e c t i o n j z p h y s i k 1 9 6 8 ( 2 0 5 ) ：3 9 8 - 4 1 0 【10 】k r e t c h m a n n e t h ed e t e r m i n a t i o no ft h eo p t i c a lc o n s t a n t so fm e t a l sb ye x c i a t i o no fs u r f a c e p l a s m o n s j z p h y s i k 1 9 7 1 ( 2 4 1 ) ：3 1 3 - 3 2 4 【1 1 】e b b e s e n t w ，l e z e c h j ，g h a e m i h f ，e ta 1 e x t r a o r d i n a r yo p t i c a lt r a n s m i s s i o nt h r o u g h s u b - w a v e l e n g t hh o l ea r r a y s j n a t u r e ，1 9 9 8 ，3 9 1 ( 1 2 ) ：6 6 7 - 6 6 9 【12 】p e n d r y j b n e g a t i v er e f r a c t i o nm a k e sap e r f e c tl e n s j p h y s r e v l e t t 2 0 0 0 ，8 5 ( 18 ) ：3 9 6 6 - 3 9 6 9 【1 3 】l e z e c h j e ta 1 b e a m i n gl i g h tf r o mas u b w a v e l e n g t ha p e r t u r e j s c i e n c e ，2 0 0 2 ， 2 9 7 ：8 2 0 8 2 2 【14 】g e n g y l ，h es l a n a l y t i c a ls o l u t i o nf o re l e c t r o m a g n e t i cs c a t t e r i n gf r o mas p h e r eo fu n i a x i a l l e f th a n d e dm a t e r i a l j ，j o u r n a lo f z h e j i a n gu n i v e r s i t ys c i e n c ea 2 0 0 6 ，7 ( 1 ) ：9 9 1 0 4 【15 】l i u y ，b l a i r s f l u o r e s c e n c et r a n s m i s s i o nt h r o u g h1 - da n d2 一dp e r i o d i cm e t a lf i l m s j o p t e x p r e s s ，2 0 0 4 ，12 ( 16 ) ：3 6 8 6 - 3 6 9 3 【16 】d i n t i n g e r j ，k l e i n s ，b u s t o s f ，e la 1 s t r o n gc o u p l i n gb e t w e e ns u r f a c ep l a s m o n - p o l a r i t o n sa n d o r g a n i cm o l e c u l e si ns u b w a v e l e n g t hh o l ea r r a y s j p h y sr e v 2 0 0 5 ，7 1 ：0 3 5 4 2 4 【1 7 】g u o - j p ，a d a t o r c o n t r o lo f 2 dp l a s m o n p o l a r i t o nm o d ew i t hd i e l e c t r i cn a n o l a y e r s j o p t e x p r e s s 2 0 0 8 ，16 ( 2 ) ：13 2 3 - 12 2 8 【18 1c h a n g y c ，c h u j y ，w a n g t j ，p ，a 1 f o u r i e ra n a l y s i so fs u r f a c ep l a s m o nw a v e sl a u n c h e d f r o ms i n g l en a n o h o l ea n dn a n o h o l ea r r a y s ：u n r a v e l i n gt i p - i n d u c e de f f e c t s j o p te x p r e s s 2 0 0 8 ，16 ( 2 ) ：7 4 f f - - 7 4 8 【1 9 】w e i n e r j p h a s es h i f t sa n di n t e r f e r e n c ei ns u r f a c ep l a s m o np o l a r i t o nw a v e s j o p te x p r e s s ， 2 0 0 8 ，16 ( 2 ) ：9 5 0 - - 9 5 6 【2 0 】g a y g ，a l l o s c h e r y o ，v i a r i s b l ，e ta 1 t h eo p t i c a lr e s p o n s eo fn a n o s t r u c t u r e ds u r f a c e sa n d t h ec o m p o s i t ed i f f r a c t e de v a n e s c e n tw a v em o d e l j n a t u r ep h y s 2 0 0 6 ：2 6 4 - 2 6 7 【21 】l e z e c h j ，t h i o t d i f f r a c t e de v a n e s c e n tw a v em o d e lf o re n h a n c e da n ds u p p r e s s e do p t i c a l t r a n s m i s s i o nt h r o u g hs u b w a v e l e n g t hh o l ea r r a y s j o p t e x p r e s s 2 0 0 4 ，1 2 ：3 6 2 9 3 6 51 【2 2 】谈春雷，易永祥，汪国平一维金属光栅的透射光学特性【j 】物理学报2 0 0 2 ， 5 1 ( 5 ) ：1 0 6 5 1 0 6 9 【2 3 】h u b ，l i u j ，g u b y ，e ta 1 e n h a n c e de f f e c to fl o c a lf i e l d si ns u b w a v e l e n g t hm e t a l l i cs e r i e s n a n o c a v i t i e sf r o ms u r f a c ep l a s m o np o l a r i t o n s j j o p t a m a 2 0 0 7 2 4 ( 1 0 ) ：a i a 6 2 4 1s i i a g h d b s u r f a c ep l a s m o ne x c i t a t i o na ts e c o n dh a r m o n i co v e rar i p p l e ds u r f a c e j j a p p l 7 浙江大学硕士论文 p h y s 2 0 0 7 ，1 0 2 ：0 8 3 3 0 1 2 5 1 刘敏敏，张国平，邹明二元矩形金属光栅衍射增强电磁理论【j 】物理学报2 0 0 6 ， 5 5 ( 9 ) ：4 6 0 8 - 4 6 1 2 【2 6 】d e g l r o n a ，e b b e n s e n t w a n a l y s i so ft h et r a n s m i s s i o np r o c e s st h r o u g hs i n g l ea p e r t u r e s s u r r o u n d e db yp e d o d i cc o r r u g a t i o n s j o p te x p r e s s ，2 0 0 4 ，12 ( 16 ) ：3 9 6 4 - 3 9 7 0 【2 7 】l u o x ，i s h i h a r a t s u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n ti n t e r f e r e n c en a n o l i t h o g r a p h yt e c h n i q u e j a p p l p h y l e t t ，2 0 0 4 ，8 4 ( 2 3 ) ：4 7 8 0 - 4 7 8 2 【2 8 】l u o x ，i s h i h a r a t s u b - 1 0 0 n mp h o t o l i t h o g r a p h yb a s e do np l a s m o nr e s o n a n c e j j a p a n e s ej o f a p p lp h y s 2 0 0 4 ，4 3 ( 6 b ) ：4 017 - 4 0 21 【2 9 】s h a o d b ，c h e n ，s c s u r f a c e p l a s m o n - a s s i s t e dn a n o s c a l ep h o t o l i t h o g r a p h yb yp o l a r i z e d l i g h t j a p p l p h y s l e t t 2 0 0 5 ，8 7 ：2 5 310 7 【3 0 】s r i t u r a v a n i c h w ，f a n g n ，d u r a n t s s u b - 1 0 0n ml i t h o g r a p h yu s i n gu l t r a s h o r tw a v e l e n g t ho f s u r f a c ep l a s m o n s j jv a cs c it e c l m o ib 2 0 0 4 ，2 2 ( 6 ) ：3 4 7 5 , - - 3 4 7 8 【31 】s a t o s h i s ，j i r o h ，f u m i o k s u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c eo nm i c r o a p e r t u r ev e r t i c a l c a v i t y s u r f a c e - e m i t t i n gl a s e rw i t hm e t a lg r a t i n g j a p p l p h y s l e t t 2 0 0 3 ，8 3 ( 5 ) ：8 3 6 - - 8 3 8 【3 2 】j i n g f ，t a k a y u k i o ，s a t o s h i k h i g h l yd i r e c t i o n a le m i s s i o nv i ac o u p l e ds u r f a c e p l a s m o n t u n n e l i n gf r o me l e c t r o l u m i n e s c e n c ei no r g a n i cl i g h t e m i t t i n gd e v i c e s j a p p l a h y s l e t t 2 0 0 5 ，8 7 ：2 4 11 0 9 【3 3 】c h o o n h g a n ，g r e g g s t r a t e g i e sf o re m p l o y i n gs u r f a c ep l a s m o n si nn e a r f i e l do p t i c a l r e a d o u ts y s t e m s j o p te x p r e s s ，2 0 0 6 ，l4 ( 6 ) ：2 3 8 5 2 3 8 7 【3 4 】g r e g g a c h i e v i n gs u p e r r e s o l u t i o ni nn e a r - f i e l do p t i c a ld a t ar e a d o u ts y s t e m su s i n gs u r f a c e p l a s m o n s j a p p l p h y s l e t t 2 0 0 5 ，8 7 ：19110 9 【3 5 】吕强，黄德修，元秀华基于表面等离子体共振的水质分析系统稳定性研究【j 】光子学 报，2 0 0 7 ，3 6 ( 7 ) ：1 2 6 8 1 2 7 2 【3 6 】w e nh o n g - q i a o ，w ul i a n g ，s o n gj u n ，e ta 1 a n a l y s i so f r e t r o - d i f f r a c t i o ne f f i c i e n c yf o re t c h e d d i f f r a c t i o ng r a t i n g su s i n gaf d t d m e t h o d j a c t ap h o t o n i c as i n i c a ，2 0 0 2 ，3 1 ( 11 ) ：1 3 7 7 1 3 8 1 【3 7 】刘国华，文可，牛文成表面激元共振( s p r ) 传感器理论分析【j 】传感器技术 2 0 0 3 11 ：l 3 【3 8 】刘国华，常露，张维，邝丽丽，尹文武，牛文成s p r 传感技术的发展与应用【j 】仪表技 术与传感器2 0 0 5 1 l ：l 5 【3 9 】l e e h s ，y o o n y t ，l e e s s ，e ta 1 c o l o rf i l t e rb a s e do nas u b w a v e l e n g t hp a t t e r n e dm e t a l g r a t i n g j o p te x p r e s s 2 0 0 7 ，1 5 ( 2 3 ) ：1 5 4 5 7 - 1 5 4 6 3 【4 0 】s c h e e r l i n c k s ，s c h r a u w e n j ，l a e r e f v ，e ta 1 e f f i c i e n t , b r o a d b a n da n dc o m p a c tm e t a lg r a t i n g c o u p l e r sf o r s i l i c o n - o n i n s u l a t o rw a v e g u i d e s j o p te x p r e s s 2 0 0 7 ，1 5 ( 1 5 ) ：9 6 2 5 9 6 3 0 【41 】l i u z w ，d u r a n t s ，l e e h ，e ta 1 f a r - f i e l do p t i c a ls u p e r l e n s j n a n o l e t t 2 0 0 7 ，7 ( 2 ) ：4 0 3 - 4 0 8 【4 2 】l e z e c h je ta 1 b e a m i n gl i g h tf r o mas u b w a v e l e n g t ha p e r t u r e j s c i e n c e ，2 0 0 2 ， 2 9 7 ：8 2 0 8 2 2 【4 3 】w e i p k ，c h o u h l o p t i c a ln e a rf i e l di nn a n o m e t a l l i cs l i t s j o p te x p r e s s 2 0 0 2 ， 8 浙江大学硕士论文 1 0 ( 2 4 ) ：1 4 18 1 4 2 4 【4 4 】y u l b ，l i n d z ，c h e n y c ，e ta 1 p h y s i c a lo r i g i no f d i r e c t i o n a lb e a m i n ge m i t t e df r o ma s u b w a v e l e n g t hs l i t j p h y s r e vb ，2 0 0 5 ，7 1 ：4 1 4 0 5 4 5 】l i n d z ，c h a n g c kc h e n y c ，e ta 1 b e a m i n gl i g h tf r o mas u b w a v e l e n g t hm e t a ls l i t a r r o u n d e db yd i e l e c t r i cs u r f a c eg r a t i n g s j o p te x p r e s s ，2 0 0 6 ，1 4 ( 8 ) ：3 5 0 3 3 5 11 【4 6 】s a u v a n c ，b i l l a u d e a u c ，c o l l i n s ，e ta 1 s u r f a c ep l a s m o nc o u p l i n go nm e t a l l i cf i l mp e r f o r a t e d b yt w o - d i m e n s i o n a lr e c t a n g u l a rh o l ea r r a y j a p p lp h y sl e t t 2 0 0 8 ，9 2 ：0 111 2 5 【4 7 】l e v e q u e g ，m a r t i n 0 j f ，w e i n e r j t r a n s i e n tb e h a v i o ro fs u r f a c ep l a s m o np o l a r i t o n s s c a t t e r e da tas u b w a v e l e n g t hg r o o v e j p h y s r e v b 2 0 0 7 ，7 6 ：15 5 418 【4 8 】k a l k u m f ，g a y g ，w e i n e r j ，e ta 1 s u r f a c e w a v ei n t e r f e r o m e t r yo ns i n g l es u b w a v e l e n g t h s l i t g r o o v es t r u c t u r e sf a b r i c a t e do na uf i l m s j o p t e x p r e s s 2 0 0 7 ，1 5 ：2 6 1 3 - 2 6 1 8 【4 9 】s m i t h d r ，p a d i l l a w j ，v i e r d c ，e ta 1 c o m p o s i t em e d i u mw i t hs i m u l t a n e o u s l yn e g a t i v e p e r m e a b i l i t ya n dp e r m i t t i v i t y j p h y s r e v l e t t 2 0 0 0 ，8 4 ( 18 ) ：418 4 - 418 7 【5 0 】s h e l b y r a ，s m i t h d 凡s c h u l t z s ，e ta 1 e x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o no fan e g a t i v ei n d e xo f r e f r a c t i o n j ，s c i e n c e2 0 0 1 ，2 9 2 ：7 7 8 0 【51 】s m i t h d 心p e n d r y j b ，w i l t s h i r e m c k m e t a m a t e r i a l sa n dn e g a t i v er e f r a c t i v ei n d e x s c i e n c e j 2 0 0 4 ，3 0 5 ：7 8 8 7 9 2 9 浙江大学硕士论文 第二章表面等离子体的基本性质及其光学激发方式 2 1 引言 表面等离子体波技术【h 1 是在研究激光和物质表面的过程中逐渐发展起来的，它主 要应用于表面检测、微小尺度的测量等领域。近期随着激光微细加工技术的研究进展， 表面等离子体波技术越来越受到人们的重视。本章对表面等离子体基本理论阐述的基 础上，提出了基于s p p s 器件的选材原则，并介绍了目前产生表面等离子体共振的几 种常用的方法。 2 2 等离子振荡的概念 2 2 1 体等离子体振荡 假设所研究的体系是一个无限大的块状金属，根据d r u d e 2 1 金属自由电子气模型， 金属内的自由电子就像是电子的海洋，和理想的气体分子一样，符合玻尔兹曼分布。 如果金属内自由电子的密度为p ，假设电子群在某一时刻偏离了平衡位置，在x 方向 移动了距离x ，则极化强度尸可以写为： _ p = p e x ( 2 - 1 ) 此时电场强度为： 髟= - 4 7 秽x ( 2 - 2 ) 那么电子所受的力为： 呜= - 4 z p e 2x ( 2 - 3 ) 如果忽略散射所引起的衰减，那么自由电子的运动方程就可以写为： m x = - 4 卵p 2 工( 2 4 ) 可以写成： 1 0 浙江大学硕士论文 x = 一c d ：x ( 2 5 ) f 国，= 4 缈2 m ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 表示金属内部所有电子以同位相作集体自由振荡的频率，o p 为无衰减系统中 的等离子体的频率。当电子群偏离平衡位置时，将会受到使它们返回平衡位置的恢复 力；在该恢复力的作用下，电子群将回到平衡位置，但是由于到达平衡位置时，势能 为