表面等离激元基础PPT课件

TheFoundationOfSPPs,李伟2014.2.24,1,Contents,Part2ThedispersionrelationofSPPs,Part3TheexcitationofSPPs,Part1ThebasicconceptOfSPPs,2,Part1ThebasicconceptOfSPPs,3,Plasmaoscillation,表面等离子体,近似认为离子不动，电子相对于离子做往回运动等离子体内电子的集体振荡振荡频率：,上式中，n是电子浓度，m是电子质量,4,Surfaceplasmaoscillations,5,SPPs,表面等离子体,Surfaceplasmonpolaritonsareelectromagneticexcitationspropagatingattheinterfacebetweenadielectricandaconductor,evanescentlyconfinedintheperpendiculardirection.Theseelectromagneticsurfacewavesariseviathecouplingoftheelectromagneticfieldstooscillationsoftheconductorselectronplasma.,6,TheclassificationofSPPs,表面等离子体,1.局域的表面等离激元(LocalizedSurfacePlasmon,LSP)对于金属纳米颗粒,等离子振动的位置固定,其中的等离子共振模式被称作局域化表面等离子共振。这种模式由纳米颗粒中的吸收光激发,吸收带被称作Plasmonbands。2.传导的表面等离激元，又称表面等离极化激元(SurfacePlasmonPolariton,SPP)在金属纳米薄膜与介质的界面上激发的表面等离激元，可以沿着薄膜远程传播。,7,LSP,表面等离子体,图a在共振状态下半径为10nm的金属纳米颗粒表面的光场分布情况,8,LSP,表面等离子体,图b共振状态下半径为10nm的理想金属纳米颗粒的表面电场分布图,共振波长在555nm左右,9,ThedifferencebetweenLSPandSPP,表面等离子体,1.两者的色散关系不同，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2.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,10,LSPandSPPcanbetransformedintoeachother,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LSP,LSP,SPP,能量转换,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,11,TwodistinctivelycharacteristicsofSPPs,表面等离子体,(c)金属/电介质界面的SPPs的示意图,(d)电磁场强度随着离界面距离增加而衰减,12,Part2ThedispersionrelationofSPPs,13,表面等离子体,如图a所示，金属和介质的分界面在z=0处，d是介质的介电常数，m是金属的介电常数。SPPs沿X方向传播，考虑它分别以TE波和横磁波TM两种不同的偏振模式在界面上传播。电场垂直于图中的XOZ平面是TE波，磁场垂直于图a中的XOZ平面是TM波。,图e金属和介质的分界面,ThedispersionrelationofSPPs,14,表面等离子体,LetusfirstlookatTEsolutions.Forz0：,ForZ0：,Forz0：,TherequirementofcontinuityofHandEleadsto：,ThenwegetthedispersionrelationofSPPsofMetallicsurface：,ThedispersionrelationofSPPs,TheexpressionshowsthatSPPsisthesurfaceelectromagneticwaveinTMsolutions.Thechangeofdielectricconstantdfrequencyisnotbig,sothatsomespecialphenomenonassociatingwithSPPscomesmainlyfromthemetal.,16,ThedispersionrelationofSPPs,表面等离子体,17,图fSPPs色散关系,ThedispersionrelationofSPPs,SurfacePlasma,SurfacePlasmaPolariton,LightLine,18,表面等离子体,Part1,1.SPPs的穿透深度,ThecharacteristiclengthofSPPs,（1）金属衰减深度m根据金属趋肤深度的表述，定义金属衰减深度m表示SPPs场强衰减为1/e时的深度。,（2）介质衰减深度d同样，定义介质衰减深度d表示SPPs场强衰减为1/e时的深度。,19,表面等离子体,Part1,ThecharacteristiclengthofSPPs,20,表面等离子体,Part1,ThecharacteristiclengthofSPPs,图g归一化波长,21,表面等离子体,Part1,ThecharacteristiclengthofSPPs,22,表面等离子体,Part1,ThecharacteristiclengthofSPPs,图hSPPs的传播长度,23,表面等离子体,Part1,ThecharacteristiclengthofSPPs,24,Part3TheexcitationOfSPPs,25,表面等离子体,TheexcitationofSPPs,Figurei.PrismcouplingtoSPPsusingattenuatedtotalinternalreflectionintheKretschmann(left)andOtto(right)configuration.Alsodrawnarepossiblelightpathsforexcitation.,1.PrismCoupling,26,表面等离子体,TheexcitationofSPPs,1.PrismCoupling,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SPPs之间的耦合效率可接近100%。由于SPPs的能量集中在表面，比起入射光的能量密度可以高